水电勘察的非爆炸震源信号特征分析

□李晓磊 □姜文龙 □鲁 辉（黄河勘测规划设计有限公司）

0 引言

地震勘探是水利水电工程勘察中寻找基岩面、地质构造较为常用的一种方法，因其能提供地层波速参数而深受地质、设计人员青睐。然而随着国家因安全、环保问题对炸药的限制和爆炸震源受限区域勘查需求的增加[1]，地震勘探所必备的震源受到了严重制约。为解决这个问题，已有不少技术人员进行了研究。

以可控震源为代表的大型机械震源广泛应用于石油行业，这类震源无论是液压式的还是电磁式的都体积较大，造价昂贵，移动不便，不适合位于高山峡谷的水利水电工程使用[2]。并且，水利水电工程对覆盖层、基岩的波速参数关注度较高，可控震源在折射勘探方面效果较差。较为适合水电行业的单次冲击震源也有不少人研究，但震源自重和激发能量成正比，与其机动性成反比，这是一个矛盾。为解决能量与震源自重的矛盾，思路有三：一采用了高性能压缩体来作为加力装置；二采用分体式、模块化组装的思路，以期提高机动性来适应高山峡谷地形；三是减轻非激震部件的自重，做到把重量用到了“刀刃”上。

1 震源介绍

黄河勘测实际有限公司自行研制的机械冲击震源采用液压的方式压缩一组高性能弹簧提供反力，并可选择不同的压缩率，使50kg的锤体向下冲击，并与设置在地面上具有钢质锤击板进行瞬间的撞击，产生强大的冲击力，从而激发纵横波。

该震源的特点之一是组合式、可拆卸，所有部件可分解为较轻的几个部分，方便山地移动；其二是冲击能量可根据需要调控，通过液压装置将弹簧压缩到不同程度，在能量足够的情况下，可节约压缩时间，震源满载荷冲击力6t；其三是特殊的卡槽可将弹簧栓横向锁死，使用时使用横向的力敲击即可释放，方便快捷。

鉴于现阶段炸药震源申购困难，故使用锤击、落重震源与机械冲击震源进行信号对比。锤击激震采用十磅大锤对钢板进行人工敲击，落重震源采用60kg重的标贯锤进行抬至约1m高度自然坠落，这两种震源均是不能使用爆炸震源的常规替代方式。

2 数据分析

试验布置了5m间距的24道检波电缆，剖面长度115m，在距零点0m、-60m的位置进行信号激发，激发前用重锤对地表夯实，以避免激发信号的不稳定。仪器选用Geode和S-Land地震仪同时采集，这两种地震仪均为24位A/D转换，属于高精度、低畸变、大动态范围的数字化地震仪，不同的是S-Land地震仪采用了全数字化检波技术，能够实现检波器输出的信号几乎无失真地转换为数字信号，即大部分噪声信号也会无衰减进入记录。

2.1 采集记录分析

从三种震源的原始记录0m位置激发的情况可以看出，锤击震源能量最弱，13道以后已难以准确读出初至数据，基本未激发出有效的面波信号；落重震源信号次之，能够较为准确读出初值，但因其能量相对较弱，对干扰的压制作用不强，24道互换时读取也比较困难，面波激发的也不太完整；冲击震源能量最强，初值清晰，对干扰波能量做到了有效压制，且面波信号较强易于识别。在-60m偏移距激发，落重震源能量显然已经不够，机械冲击震源能量仍可保证该排列拾取有效信号。

S-Land仪器的信号则显示出了高保真性能，在使用38Hz模拟检波器情况下，锤击、落重和冲击震源均能采到有效信号，进行对比后，仍可得出和Geode仪器一样的结论，冲击震源的能量最强，有较好的信噪比。试验中也使用4Hz的数字检波器进行比较，无论锤击还是冲击震源都因噪声信号无损失进入记录造成干扰无法读出初值，如能有针对性地进行陷波处理仍可成为有效记录。因此，S-Land地震仪搭配普通模拟检波器在激发能量较弱时候使用或为浅层地震一种工作思路。

2.2 振幅谱分析

振幅谱反映出了主要幅度和能量分布的频率范围，图1为Geode地震仪记录的三种震源第1道的振幅谱，直观的看出在同一排列中的冲击震源的幅值最大，频谱宽度从0～350Hz，且高频成份最为丰富，能量也最强。

图1 三种震源第1道的振幅谱图

2.3 面波频散分析

从采集的记录可以看到锤击震源激发的基阶面波不发育，不能真实的反映地层信息，形成的频散谱也不可能连续，效果较差。冲击震源激发能量强，频带宽，在未对原始采集记录放大增益的情况下，已基本能看到基阶面波发育，对比锤击震源放大增益后的记录，可以发现锤击震源记录的周期性的噪声信号已淹没部分有效信息，故大能量的冲击震源是压制噪声信号的首选。从图2频散谱图对比可以看到，落重震源和冲击震源都可得到连续的频散谱，但冲击震源的频散图在低频段表现的更为连续，在实际使用中两种震源可能相差不大。

图2 三种震源的频散谱图

3 结语

自制冲击震源的能量大、频带较宽，高频信息丰富，基本上满足了目前在工程地震勘探中对震源的需要。从理论上讲激发能量绝大多数以面波形式传播，落重震源面波信号与冲击震源面波信号相差不大，使用机械冲击震源没有人工落重效率高，故面波使用冲击震源得不偿失。S-Land全数字化地震仪对信号扑捉的能力更强，小能量震源搭配高分辨率的设备或可解决部分能量不足的问题不失为一种勘探思路。

[1]金念.夯击震源地震勘探关键技术研究[D].硕士论文，长春市:吉林大学,2006.

[2]佟训乾,林君,姜弢等.陆地可控震源发展综述[J].地球物理学进展,2012,27（05）：1912-1921.