辽西深反射地震勘探采集试验

贾海青，姜 弢，徐学纯，葛利华，杨志超

1.吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春 1300262.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 1300263.吉林大学地球科学学院，长春 130061

辽西深反射地震勘探采集试验

贾海青1，2，姜 弢1，2，徐学纯3，葛利华1，2，杨志超1，2

1.吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室，长春 130026
2.吉林大学仪器科学与电气工程学院，长春 130026
3.吉林大学地球科学学院，长春 130061

深反射地震勘探是目前研究和分析地下深部构造最有效的方法之一。为了查明辽西地区深部构造信息，在该地区布设一条16.9km的深反射地震剖面。由于该地区的地震地质资料有限，为了能够获取深部地层的地震反射信号，开展了辽西地区的深反射地震勘探采集参数试验。本次地震采集参数试验采用炸药震源、428XL地震仪和SG-10低频检波器，固定采集参数为：采样间隔1ms、道间距20m、记录长度15s。采集参数试验主要针对激发因素（激发深度、药量、组合井激发）和接收因素（组合低频检波器）进行了较为全面的试验工作。依据采集的地震记录确定所研究的主要目的层为6.5s反射信号，通过对不同激发因素和接受因素单炮记录中目的层信号能量及信噪比的比较，确定适合于该地区的最佳激发参数和接收参数为：井深15m、药量12kg；井组合采用单井和三井组合相结合；检波器组合采用点组合方式。研究结果表明，在辽西地区，通过增加激发深度、增加药量、采用组合井激发和组合低频检波器、延长记录时间等措施可以获得地下更深部的反射信息。

深反射；地震勘探；采集试验；最佳参数；辽西

0 引言

深地震反射是刻画地壳上地幔结构最有效的方法之一。为充分认识和了解地球内部的构造，以美国20世纪70年代开始的大陆反射地震探测计划（COCORP）［1］为标志，各国以地壳和岩石圈结构为目标的探测行动至今已经持续40余年。据不完全统计资料，截至2010年，全球已完成的深地震反射剖面测量的总长度在105 000km以上，其中，美国在全球总共完成了60 000km，英国完成超过20 000 km，意大利完成了近10 000km，俄罗斯完成了10 000km［2］。

我国最早的深部探测剖面可追溯到曾融生等［3］于20世纪50年代（1958年）实施的柴达木盆地地震剖面。1983年，为了探测扬子地区储油构造的深部环境与储油前景，地矿部率先在华东下扬子地区完成了一条长267km的深反射剖面［4］。1985年，国家地震局地球物理研究所用深地震反射方法探测了唐山地震深部构造的复杂和差异性［5］。此后我国许多地球物理工作者陆续在华北地区的邢台震区、延庆—怀来盆地、东秦岭及燕山褶皱带等地开展了深反射探测［6－10］。1990年，地矿部在河南南阳盆地内实施了一条长188km的东秦岭地区的深反射剖面，揭示了秦岭造山带不同时期不同构造的叠加特征［11］。1992—2006年，由中国和美国等合作共同完成了“青藏高原深部探测”INDEPTH项目，充分研究了喜马拉雅至青藏高原的深部地质构造，发现了印度地壳俯冲到亚洲地壳之下的精细结构和高原地壳中广布的流体，引起举世瞩目［12－14］。2006年，滕吉文［15］对我国东西部和世界其他典型地区的深反射资料进行了分析和研究，加深了对地球深部精细结构和物理属性的认识。在东北地区，大庆油田分别于1992年和1996年在松辽盆地内做了1 300余km的剖面，用于揭示松辽盆地的深部构造背景［16－17］。

2008年，“深部探测技术与实验研究专项”（SinoProbe）的启动，标志了我国地球科学的深部探测计划拉开帷幕［18］。2009年，熊小松等［19］在华北地区开展了一条550km的深反射剖面，揭示了华北板块向北俯冲汇聚、地壳伸展、岩浆入侵和逆冲推覆的地壳增生的深部过程。2012年，在深部探测技术与实验研究项目的资助下，为研究辽西地区深部地质构造，辽西深反射地震勘探计划在兴城—葫芦岛地区展开。

由于深反射地震方法价格昂贵，为了获得能够用于可靠地震解释的深反射地震资料，需要进行必要的深反射地震采集参数试验，以获得最佳的采集参数。1989年，杨宝俊等［20］系统研究和分析了深层地震资料采集中的检波器组合效应、最大炮检距和共反射点离散效应等问题。1994年，徐明才等［21］对深反射地震采集参数进行了讨论，提出通过使用震源和检波器组合能够有效提高深层反射波的信噪比。2006年，卢占武等［22］对青藏高原羌塘盆地的地震采集参数进行了研究分析，确定了适合于羌塘盆地的最佳地震采集参数。辽西兴城—葫芦岛地区主要位于燕山台褶带上［23］，由于本区的地震地质资料有限，为了获得优质的深部地震资料，需要在该区开展深反射地震采集参数试验。

在本文中，笔者首先介绍了在辽西地区深反射地震勘探的测线位置及工区情况，然后介绍了采集参数试验方案，最后根据所采集的地震记录，通过对比分析目的层信号的能量和信噪比，确定适合该地区的最佳深反射采集参数。

1 工区情况及测线位置

兴城—葫芦岛地区位于辽西山地黑山丘陵的东部边缘。由于该区受到吕梁运动、蓟县运动、加里东运动以及印支运动的影响，地表沉积层覆盖薄，断层褶皱等构造大量发育。该区主要为火成岩地区，由于火成岩地区地质构造的复杂性，使得该地区少有系统的地震勘探工作。

针对地下浅层可利用矿产和油气资源不断减少的现状，我国开展了深部探测项目［2］，旨在充分认识我国的深部地质构造，开拓第二找矿空间。为此，笔者在辽西葫芦岛东部地区布置了一条长16.9km的深反射地震测线D0（图1）。D0测线南起兴城首山附近，北至杨家杖子镇东部。测线所经地区地貌变化大，自南向北依次为平原、丘陵、山地。海拔高度一般为4～191m，相对高差50～150m，北部局部高程变化大。测线穿过的河流、山沟、悬崖和人文活动密集区等一列因素给地震勘探工作带来了一定的难度。

2 采集试验

本次地震数据采集的工区跨度广、地貌变化大、地质情况复杂。由图1中可以看出，本区大部分地区都是火成岩直接出露，沉积层位少。由于本区之前基本没有做过系统的地震勘探工作，能够借鉴的地震地质资料有限，难以确定最佳的试验参数。因此，根据本区的地质条件，针对测线范围内不同的地形地貌特点，需要开展一系列的地震采集参数试验［24］，以获取适合本区的地震勘探试验参数。

2.1 试验目的及方案

由于测区主要为火成岩地区，沉积层薄，因此，本次采集试验主要是为了研究本区深部地质构造，构建本区深层的地质和地球物理模型。所以，在试验过程中，始终要以深部反射信息为主要目标，兼顾浅层反射信息。

试验的主要方案是：首先，通过开展表层结构调查［25］，了解表层结构特征，为激发参数设计提供参考资料；然后，开展详尽的激发参数和接收参数试验，确定最佳施工参数；最后，进行大炮试验，初步了解本区更深部反射界面的信息。

图1 测区地质简图及测线位置（据1∶20万地质图简化① 辽宁省地质局区域地质测量队一分队.锦西幅1∶20万区域地质调查报告，1967.② 辽宁省地质局区域地质测量队一分队.兴城幅1∶20万区域地质调查报告，1967.）Fig.1 Simplified geological map of the field and the location of the seismic line（simplified according to 1∶200 000geological map① 辽宁省地质局区域地质测量队一分队.锦西幅1∶20万区域地质调查报告，1967.② 辽宁省地质局区域地质测量队一分队.兴城幅1∶20万区域地质调查报告，1967.）

在测线上选取了3个试验点（图1）：系统试验点D0XT、考核试验点D0KH、验证试验点D0YZ，依据前人的经验和其他地区的地震资料，对野外采集因素按单一因素变化方式逐步进行试验［26］。野外采集因素主要包括激发因素和接收因素等。激发因素试验包括井深试验［27］、药量试验和井组合试验；接收因素试验包括检波器组合方式试验等，检波器组合方式包括线性、矩形和点式组合。D0XT主要开展表层结构调查、激发因素和接收因素的系统试验工作，获取最佳的采集参数。激发因素的好坏直接决定采集质量的高低，因而针对激发因素在D0XT进行了再试验。由于测线长，地形地貌变化大，在测线西北部的山地处D0YZ，对D0XT和D0KH处得到的最佳采集参数进行了验证。

2.2 观测系统及参数

根据其他地区的采集经验［22］和对本区地质资料的初步了解，D0XT观测系统采用6020-40-20-40-6020（道间距20m，最小偏移距为40m，最大偏移距6 020m），中间放炮；D0KH 观测系统为20-40-6020，单边放炮；D0YZ观测系统为20-40-6020，单边放炮。地震数据采集使用428XL地震仪，SG-10检波器，前放增益12dB，采样间隔1ms，记录长度15s。

图2 干扰波调查单炮记录Fig.2 Shot record of interference wave investigation

3 干扰波及表层结构调查

3.1 干扰波调查

为了保证地震采集资料的质量，需要开展详细的干扰波调查试验［28－29］，干扰波调查记录如图2所示。结果表明，该区有7种主要干扰波：初至折射波、2组面波、声波、单频干扰、低频干扰、外源噪声［30］和其他环境随机噪声［31］。其中：初至折射波、2组面波、声波属于规则噪声；单频干扰、低频干扰、外源噪声和其他环境随机噪声属于不规则噪声。

经分析可知：单炮记录中折射波表现为线性、强振幅，视速度约为5 300m/s，主频为25～31Hz，频带宽度0～46Hz；2组面波表现为低频、强振幅、扫帚状，面波1的视速度约为2 750m/s，主频为10～25Hz，面波2的视速度约为2 200m/s，主频为8 Hz左右；单频干扰是由高压线路、通讯线等引起的，表现为强振幅的正余弦形式，其主频有38、43、48、50、53、57Hz；外源噪声表现为双曲线形、局部能量强；低频干扰表现为主频低、杂乱分布、干扰强。

3.2 表层结构调查

据近地表的介质确定激发方式［32］和接收方式，需要对近地表介质的地质及地球物理特征进行初步调查，本次试验在D0XT采用微测井的方法进行表层调查［33］。表层结构调查采用井中激发、地面接收的微测井方法［34］，D0XT微测井解释结果如图3所示。由图3可知，D0XT表层可分为2层：低降速层速度v1为792m/s，厚度h1为7.29m；高速层速度v2为3 977m/s。实际打井过程中在深度大约8m出现钻井转速减慢，喷出的岩屑为颗粒状花岗岩，充分证明了约8m的深度就已经进入高速层。

4 试验及分析

4.1 井深试验

根据微测井结果（高速层顶界面埋深7.29m），在 D0XT处分别进行13、14、15、16、17m 的井深试验。单井激发、激发药量8kg。从单炮记录（图4）上看，所有记录上6.5s处都发育了比较强的连续反射波，而在6.5s以上或以下的反射信号较弱，难以分辨。因此，本次试验以6.5s的反射同相轴为目的层进行分析。由图5可见，在井深为15m和17m时目的层反射同相轴连续性较好。对时窗为6.3～6.7s内的目的层进行分析，其能量和信噪比的分析结果如图6所示。由图6可知，15m井深目的层信号的能量和信噪比都比其他井深高。同时考虑该地区潜水面在9m左右，最终选择在潜水面下、高速层激发的15m井深为最佳激发井深。

图3 D0XT微测井解释结果Fig.3 Explanation of the uphole method in D0XT

图4 D0XT井深试验单炮记录Fig.4 Shot record of the hole depth test in D0XT

4.2 药量试验

利用上述最佳激发井深（即15m），分别使用6、8、10、12和16kg进行药量试验。从单炮记录（图7）上看：8kg以上药量的单炮记录在6.5s处都发育了比较强的连续反射波；6kg药量的单炮记录中的6.5s反射信号弱且连续性差。通过对单炮记录能量、信噪比的分析（图8）可知：16kg药量的能量最强；6kg药量的能量最弱，8、10和12kg药量的能量差别小；信噪比方面，6kg药量的信噪比最弱，10kg药量的信噪比次之，8、12和16kg药量的信噪比差别不大。同时从安全性方面考虑，最终选择了12kg药量作为最佳激发药量。

4.3 检波器组合试验

采用合理的检波器组合方式，能够有效压制干扰波，提高信噪比。本次试验中检波器接收组合采用3种组合方式：正方形组合，组内距4m，组合基距8m；线性组合，组内距1m，组合基距8m。点组合。具体排列方式如图9所示。

3种组合的单炮记录如图10所示。从单炮记录上看，3种组合方式在6.5s处都发育了较强的同相轴，正方形组合的反射波同相轴比线性组合和点组合方式更清晰，连续性更好。根据能量和信噪比的分析（图11）可知：点组合的能量最高；线组合的信噪比最低，正方形组合和点组合的信噪比相差不大。

由于正方形组合和线组合所覆盖的范围大，而测区有部分测线位于山地，山地起伏大，难以满足检波器埋置要求。综合以上考虑，选择点组合方式为最佳检波器组合接受方式。

4.4 井组合试验

图5 D0XT井深试验单炮记录区域放大Fig.5 Shot record of the hole depth test in D0XT（partial enlarged）

图6 D0XT激发井深试验资料分析Fig.6 Analysis of the hole depth test in D0XT

根据试验确定的最佳井深（15m）、药量（12 kg），以及检波器组合方式（点组合），进行井组合试验。井组合方式有4种（图12）：单井，药量12kg；双井，每井药量6kg；三井，每井药量4kg；四井，每井药量3kg。由于炸药爆炸时将产生一个非弹性区（破碎带加塑性带），组合爆炸的经验表明，相邻两炮点间的距离应大于两震源非弹性区半径之和。非弹性区半径可由经验公式［24］r＝1.5确定（Q为药量，kg；r为半径，m）。由此，双井、三井和四井的非弹性区半径为2.8、2.4和2.2m。根据经验，为了充分保证激发效果，将组合基距扩大至10m。

由井组合试验单炮记录（图13）可知，双井组合6.5s的反射信号最弱，同相轴连续性差，单井和三井的反射同相轴连续性最好。对其进行能量和信噪比的分析结果（图14）表明，三井组合的能量和信噪比最大，其他井组合方式的能量和信噪比相差不大。因此，确定三井组合方式为最佳井组合方式。

4.5 大炮试验

根据试验点单炮记录获得的最深反射信号在6.5s处，可以估算该反射层位在13.0～19.5km，对应的估算速度为4 000～6 000m/s［19］；该反射层不是莫霍面。因此，为了解该地区更深部的地质构造信息，获取莫霍面的有效信号，采用加大药量和井深的方法，在点D0YZ，海拔高程约为117.18m处，设置了25m井深、24kg药量的激发井，预计莫霍面反射信号到时应大于9s。

图7 D0XT药量试验单炮记录Fig.7 Shot record of the charge test in D0XT

图8 D0XT单井激发药量试验资料分析Fig.8 Analysis of the charge test in D0XT

图9 检波器组合示意图Fig.9 Geophone array diagram

图10 D0XT检波器组合方式试验单炮记录Fig.10 Shot record of the geophone array test in D0XT

图11 D0XT检波器组合方式试验资料分析Fig.11 Analysis of the geophone array test in D0XT

图12 井组合示意图Fig.12 Schematic diagram of combined hole

为了观测到更深层的信号，将观测系统调整为400-0-20-20-11200，单 支 最 大 炮 检 距 560 道 接 收。大炮试验结果表明，在单炮记录（图15）上，6.5s和10.5s左右都看到了反射波。推算10.5s的反射波深度为30km左右，与邻区莫霍面的深度［35］相当，其主频约为18Hz，频带宽度5～46Hz。

4.6 D0KH和D0YZ点其他试验

由于测线穿过的地貌特征变化大，依据D0XT点（平原）处获得的最佳井深和药量，为检验该激发因素在测线其他区域是否合适，在测线的中部D0KH（丘陵）处，又开展了井深和药量试验，同时，在D0YZ处的沟里进行了反方向的验证。结果表明，D0XT点处获得的最佳采集参数适合于整条测线的地震采集。

图13 D0XT井组合试验单炮记录Fig.13 Shot record of the combined hole test in D0XT

图14 D0XT井组合试验资料分析Fig.14 Analysis of the combined hole test in D0XT

通过以上各项试验分析，最终确定本区的生产采集参数为：观测系统，6020-40-20-40-6020；井深15m；药量12kg；采样间隔1ms；记录长度15s；井组合，三井组合；检波器组合，点组合。

5 结论和讨论

由于本区第四纪覆盖层薄、基岩深度浅，使得地震波传播速度非常高，有利于能量向深部传播，对深部莫霍面的探测提供了天然的优势。通过在本区开展表层结构调查、干扰波调查、井深、药量、组合井数、检波器组合等试验，准确、有效地分析了适合于本区的地震勘探采集参数，总结得出以下几点认识：

1）在地震试验前，进行表层结构调查，确定低速层厚度有助于估计最小激发深度。

2）检波器组合和井组合试验表明，采用合适的检波器和激发井组合方式可以有效提高采集质量，在可能的情况下，应当进行更多检波器组合和激发井组合方式的试验工作。

3）根据其他沉积层覆盖厚地区的地震资料可知，药量为8kg、激发深度为12m的激发参数［36］能够获得有效信号的最大时间一般在1s左右，而在本区能够获得的有效信号的时间长度可以达到6.5 s左右，说明在火成岩地区，采用相对小的药量和井深可以获得更深部的反射信息。因此，在火成岩地区开展地震勘探工作时，记录时间应适当加长。

4）大炮试验结果表明，该区深层主要有2个反射层：6.5s和10.5s。初步认为10.5s反射界面为莫霍面。

图15 D0莫霍面调查试验点单炮记录Fig.15 Shot record of the Moho survey test point in D0

5）由于本区测线的覆盖范围广、地形复杂、激发深度不同，为了保证激发质量，应配备山地钻、普通钻和大功率钻井等。

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Field Test on Deep Seismic Reflection Acquisition in the West of Liaoning Province

Jia Haiqing1，2，Jiang Tao1，2，Xu Xuechun3，Ge Lihua1，2，Yang Zhichao1，2

1.KeyLaboratoryofGeo-ExplorationInstrumentationofMinistryofEducation，JilinUniversity，Changchun130026，China
2.CollegeofInstrumentationandElectricalEngineering，JilinUniversity，Changchun130026，China
3.CollegeofEarthSciences，JilinUniversity，Changchun130061，China

Seismic exploration is one of the most effective method on the research and analysis of underground structures.In order to find out the deep structural information of the west of Liaoning Provience，we emplaced a deep reflection seismic profile of 16.9km in the region.As the region’s seismic and geological data is limited，we carried out a test on the parameters of deep reflection seismic acquisition for the obtaining of seismic reflection signals from the deep strata.This test uses dynamite source，428XL seismograph and SG-10low-frequency detectors，fixing acquisition parameters as sampling interval 1ms，channel spacing 20m，and record length 15s.A more comprehensive experimental work on the acquisition parameters of motivating factors（excitation depth，explosive dose，combination of well excitation）and receiving elements（combined low frequency geophone）is launched.Based on the seismic records，the authors treat 6.5sreflected signal as the main reflection layers.By comparing and analyzing the signal energy and the SNR of the target layers，we obtain the optimal excitation and receive parameters as depth 15m，dose 12kg；combination of single well and Mitsui；geophone array using dot combinations.The results of the research show that we are able to obtain deeper reflect information by increasing the exciting depth，the charge，employing combination of well and low-frequency detector and extend recording time etc.

deep reflection；seismic exploration；acquisition test；optimal parameter；the west of Liaoning province

10.13278/j.cnki.jjuese.201404304

P631.4

A

贾海青，姜弢，徐学纯，等.辽西深反射地震勘探采集试验.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1357-1368.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404304.

Jia Haiqing，Jiang Tao，Xu Xuechun，et al.Field Test on Deep Seismic Reflection Acquisition in the West of Liaoning Province.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1357-1368.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404304.

2013-11-20

国家深部探测技术与实验研究专项（SinoProbe-09-06 201011083，201311197）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20110061110053）

贾海青（1987—，男，博士研究生，主要从事可控震源技术及地震信号处理研究，E-mail：jiahq13＠mails.jlu.edu.cn

姜弢（1969—，女，教授，博士生导师，主要从事地震仪器及信号处理研究，E-mail：jiang＿t＠jlu.edu.cn。