沿海滩涂区浅层地震不同类型激发震源适用性分析

2021-04-16张保卫岳航羽王凯王小江

物探与化探 2021年2期

张保卫，岳航羽，王凯，王小江

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000；2.中国地质调查局地球物理调查中心，河北廊坊 065000；3.国家现代地质勘查工程技术研究中心，河北廊坊 065000)

0 引言

沿海滩涂区包括滩涂潮间带区和滩涂围垦区，“潮间带”是指沿海高潮位与低潮位之间的潮浸地带，由于潮汐的作用，该区域有时被海水淹没，有时又出露水面；“围垦区”是指在沿海滩涂区将涨落潮位差大的地段筑坝拦海，防止潮汐浸渍并将堤内海水排出，围填成土地，用于农业生产及工程建设的地带。滩涂既属于土地，又是海域的组成部分，是一个处于动态变化中的海陆过渡地带，是海岸带的重要组成部分[1-4]。

由于滩涂潮间带区地质特点和传统调查技术的局限性，且受潮汐影响，造成滩涂区地质调查工作不足，致使沿海滩涂成为海陆统筹地质调查的缺失地带[5-6]。滩涂区域开展过石油地震勘探工作，潮间带区仅作为海陆连接测线的其中一段，开展海洋和陆地两种勘探方式，激发震源为炸药震源和气枪震源，因其关注深层成像质量，故选用的道间距和炮间距均较大，可较好地控制深部目标层，但其采用的观测系统和参数并不能将海岸带地质调查中关注的第四纪尤其是晚第四纪揭示清楚。只针对滩涂潮间带区的地震探测工作尚未开展过，目前相对成熟的海洋地震勘探方法无法有效地应用于沿海滩涂潮间带区，因其无法满足海洋地震勘探对水深的要求；陆地地震勘探方法在退潮时可开展数据采集工作，但工作时间和勘探设备均受到一定的限制，尤其是激发震源受限最为显著，常规的炸药震源和可控震源受特殊地表条件限制，均不适合在滩涂潮间带区开展工作[7-10]。炸药震源会对海洋环境造成一定程度的污染，且审批手续繁琐、成本较高；滩涂区地表条件复杂，多为泥沙，可控震源质量较大，移动困难，致使施工效率低下；因此，选取轻便灵活且适用的激发震源，成为沿海滩涂区开展浅层地震探测工作的关键[11]。

为了在海岸带地质调查工作中提供基础地质信息及地球物理技术保障，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在江苏省如东县所辖沿海滩涂地区开展了浅层地震探测方法应用试验工作，在滩涂潮间带区利用退潮时间段选用夯击震源、锤击震源、落锤震源、电火花震源开展了激发震源适用性对比分析试验研究[12-13]。

1 试验区概况

试验区位于江苏省南通市如东县所辖滩涂区域(图1)，该区域退潮后滩涂潮间带区垂直海岸带纵向延伸达到10 km以上，整体地势较为平坦，高程落差可忽略不计，滩涂潮间带区域内有呈不规律分布、大小不等的潮沟，海水退至最低潮位时，部分潮沟有海水存留。试验区按地表类型可分为砂质滩涂区和硬泥质滩涂区，砂质滩涂区俗称“铁板沙”，该区域人员行走方便，交通工具行驶便利，不下陷。硬泥质滩涂区地表被约20 cm的硬泥或泥沙覆盖，该区域人员行走困难，极易陷车，不利于交通工具行驶。

图1 沿海滩涂试验区位置Fig.1 Location of coastal tidal flat in the experimental area

地层特征：本区第四纪沉积物源丰富，沉积作用强盛，第四系厚度一般可达300 m。地表主要为海相沉积物和三角洲前缘相沉积物，岩性主要以粉砂、细沙、粗砂、砂黏土以及含砾粗砂为主。各岩性厚度不等，可从几米至几十米变化，由于潮汐作用影响，滩涂潮间带区经常被海水淹没，形成了地表及以下各地层处于饱含水状态，因此可忽略表层低速带的影响，且有利于地震波的传播。影响本区第四纪沉积的因素较多，主要是基底构造、古长江发育演变、古气候冷暖周期变化、海面升降引起的海侵海退事件，在第四纪井下剖面中，反映为一套显示多沉积旋回韵律的海陆交替变化的巨厚松散地层。其中夹有多层状透水性良好的砂层，为区内孔隙地下水的形成提供了有利的赋存条件。

构造特征：工作区属扬子板块，下扬子中生代前陆盆地。据下扬子区区域构造研究、区域重力和航磁资料揭露，本区总体构造格架由印支晚期—喜山期构成，并以断陷隆升活动为主，组成了侏罗系—白垩系中统一系列NE—NNE向断裂和NE向、NW向为主的断块作用形成的中生代以来的断凸和断凹[14-21]。

地震地质条件：根据区内地层物性资料分析，第四系覆盖与下伏基岩间存在明显密度差异，将形成较强的反射界面；巨厚的覆盖层间各地层也存在密度差，其间黏土、亚黏土、亚砂土、细砂、粗砂等地层，也可构成良好的反射界面；断层引起地层错动或明显破碎时，将出现地层反射相位错动或反射相位缺失、能量减弱；若断层错断第四系内界面时，其反射相位亦出现相应的异常特征。

2 激发震源对比试验分析

由于滩涂潮间带区受潮汐影响，在退潮时间段选用陆地勘探设备开展浅层地震探测试验研究，工作时间小于5 h，选取夯击震源、锤击震源、落锤震源、电火花震源开展激发震源适用性对比分析试验研究，以提高地震记录信噪比、分辨率和施工效率为最终目标，来确定适用的激发震源。

本次试验采集仪器选用轻便灵活的STRATAVISOR NZ XP浅层地震数据采集系统，该系统由主机、GEODE采集单元、数据传输电缆和模拟电缆组成。接收检波器为自然频率60 Hz防水检波器串。

2.1 夯击震源和锤击震源激发对比试验

夯击震源是浅层地震勘探较为常用的激发震源，其工作原理为：夯击震源振动激发会产生一系列随机输入脉冲串作为TB信号，系统会自动接收随机脉冲序列和反射信号，并实时对接收到的信号进行时移和迭加处理。锤击震源是目前浅层地震勘探中广泛采用的一种安全、简便的激发震源，由大锤、金属垫板和锤击触发开关组成，它的特点是成本低、操作方便、生产效率高。

对比试验选用的观测系统参数和采集参数为：道间距3 m，接收道数120道，最小偏移距0 m，采样率0.25 ms，记录长度1 s。

图2是在砂质滩涂区选用夯击震源和锤击震源激发得到的原始单炮记录，由图可见，两个地震记录信噪比均较高，反射波同相轴连续性较好。但通过对比后发现，两个地震记录存在一定的差异，主要体现在信噪比上，在近炮检距处，夯击震源激发得到的地震记录(图2a)信噪比较低，有效反射信息被低频干扰覆盖面积较大，1～35道集内浅层有效反射波信号被面波等低频干扰压制，而锤击震源激发得到的地震记录(图2b)信噪比明显优于夯击震源；在中远炮检距处，当深层反射波能量较弱时，夯击震源震动的不随机性产生的线性干扰波压制了深层反射信号，且该干扰波与初至波平行，如图2a红框所示，使得深层信噪比降低。因此，锤击震源激发地震记录整体信噪比高于夯击震源激发地震记录。

两种震源激发得到的地震记录最深有效反射波双程时均在600 ms处，大于600 ms没有明显的反射信息，说明锤击震源在砂质滩涂试验区的有效激发能量与夯击震源相当，而得到的地震记录信噪比优于夯击震源。另外，考虑锤击震源在滩涂区的机动性较好，因此在砂质滩涂区开展浅层地震探测试验工作，在满足探测深度要求的前提下，可选用锤击震源作为激发震源。

图2 夯击震源(a)与锤击震源(b)激发的地震记录Fig.2 Seismic record comparison stimulated by tamping source(a) and hammering source(b)

图3 锤击震源(a)与落锤震源(b)激发的地震记录Fig.3 Seismic record comparison stimulated by hammering source(a) and drop-hammer source(b)

2.2 锤击震源和落锤震源激发对比试验

沿海滩涂试验区受季风影响，风噪干扰对浅层地震数据采集的影响严重，锤击震源能量较小，当环境噪声(风噪)偏强时，激发得到的地震记录信噪比和探测深度均受到明显影响，为了提高震源的激发能量、压制风噪干扰，制作了能量较大的落锤震源。本文落锤震源为简易人工落锤震源，由落锤、金属底板和锤击触发开关组成，落锤为标贯锤，重量63.5 kg，底板为30 mm厚的钢板。其工作流程为：由1个定滑轮和1个动滑轮控制完成标贯锤的抬升，抬升的高度约2.0 m，升到最高点后自由落体，当落锤与钢板接触的瞬间触动锤击触发开关，从而触发地震仪器开始采集数据。

对比试验选用的观测系统参数和采集参数为：道间距3 m，接收道数96道，最小偏移距9 m，采样率0.25 ms，记录长度2 s。

图3为砂质滩涂区锤击震源和落锤震源激发得到的单炮地震记录，对比后可见，两个地震记录的有效探测深度不同，由于落锤震源的激发能量较大，其探测深度要大于锤击震源，如图中红色方框所示，图3b地震记录的双程时大于600 ms时仍然能分辨识别出清晰的反射波同相轴，而图3a地震记录的有效反射信息双程时小于400 ms。另外，两个地震记录信噪比差异较大，尤其体现在远偏移距处，如图蓝色区域，当偏移距大于200 m时，图3a地震记录初至波及浅层反射波很弱，难以识别，反射波同相轴的连续性也变得很差，而图3b地震记录偏移距大于200 m处的信噪比得到了明显改善；当偏移距小于200 m时，双程时小于300 ms时，两种震源激发得到的地震单炮记录信噪比差异不大，但双程时大于300 ms时，落锤震源激发得到的记录有效反射波连续性较好，信噪比明显高于锤击震源。

因此在砂质滩涂区开展浅层地震探测试验工作，当锤击震源的能量和激发深度不能满足要求的情况下，可选用能量更大的落锤震源作为激发震源。

2.3 落锤震源和电火花震源激发对比试验

落锤震源比锤击震源能量大，得到的地震记录信噪比高于锤击震源，但当环境噪声(风噪)继续增强时，其激发得到的地震记录信噪比也会明显降低，而且落锤震源质量较大，在滩涂区移动灵活性较差，施工效率较低，尤其在泥质滩涂区地表激发，能量会被地表淤泥吸收，下行传播能量变小，无法在泥质滩涂区采集到理想的地震记录。在此前提下，引入4万焦耳的电火花震源，分别在滩涂围垦区、不同风噪强度下的砂质滩涂区、泥质滩涂区同落锤震源开展激发对比试验研究。

2.3.1 滩涂围垦区激发对比试验

首先在围垦区进行落锤震源和电火花震源的激发对比试验，目的是评估电火花震源的真实激发能量。试验参数为道间距3 m，接收道数72道，最小偏移距80 m，采样率0.25 ms，记录长度2 s。

图4为围垦区落锤震源与电火花震源激发得到的单炮地震记录，电火花震源在井中激发，井深1.2 m。电火花震源激发的地震记录(图4b)面波发育较好，记录的信噪比偏低，尤其在远偏移距处，如图中蓝色区域所示，最深层反射波双程时为500 ms，双程时大于500 ms处没有明显的反射波信息，而落锤震源激发得到的单炮地震记录(图4a)最深层反射波在1 000 ms处。如图中红色区域所示，由对比地震记录可得出，电火花震源在滩涂围垦区的激发能量小于落锤震源，激发效果欠佳。分析原因为围垦区激发孔内介质松散、致密性差，电火花震源激发时，部分能量被松散介质吸收，而落锤震源在地表激发，且地表致密坚硬，因此会产生较大的激发能量。

图4 滩涂围垦区落锤震源(a)与电火花震源(b)激发的地震记录Fig.4 Seismic record comparison stimulated by drop-hammer source(a) and sparker source(b)in reclamation area of tidal flats

2.3.2 砂质滩涂区激发对比试验

由于潮间带滩涂区在近海区域，大风天气较多，而每天的风力不等，致使浅层地震数据采集工作进度受风噪的影响较大，因此，在砂质滩涂区不同风噪强度下，对落锤震源和电火花震源激发得到的地震记录进行了对比分析，确定两种激发震源在滩涂潮间带区的适用性及抗风噪干扰情况。

对比试验参数：道间距3 m，接收道数96道，最小偏移距9 m，采样率0.25 ms，记录长度2 s。电火花震源激发井深1.5 m。

弱风(1～2级)：当环境风力小于2级的条件下，风噪对地震记录的影响很小，可忽略不计，在此条件下进行对比试验针对性较强，得出的结论真实可靠，说服力强。图5为落锤震源与电火花震源激发的地震单炮记录，由记录可见，两个地震记录的信噪比均较高，落锤震源激发得到的单炮地震记录(图5a)最深层反射信息双程时达为650 ms，700～900 ms处可见较弱的反射波同相轴，但连续性较差，识别困难。而电火花震源激发得到的单炮地震记录(图5b)最深反射信息双程时为900～1 000 ms，且反射波同相轴连续性较好，清晰可分辨，如图5红色区域所示。说明滩涂潮间带区地层饱含水，且致密性较好，电火花震源激发效果较好；另外，在井中激发，激发能量充分下行传播，而落锤震源激发下行传播能量较弱。因此，弱风干扰环境下电火花震源激发得到的地震记录信噪比高，且探测深度大。

中等风力(3～4级)：当风力达到3～4级时，风噪对地震记录的影响会很明显的体现出来，在此环境下对比两种震源激发的单炮地震记录，如图6所示，落锤震源和电火花震源的信噪比均受风噪的影响明显降低，尤其体现在远炮间距处(远道)。其中，落锤震源的探测深度明显变浅，双程时大于400 ms处无明显连续的反射波同相轴。而反观电火花震源激发的地震记录，双程时小于500 ms处整个道集的信噪比没有受到明显的风噪干扰影响，在双程时800 ms近偏移距(近道)处，图中橙色区域所示，仍可识别较连续的反射波同相轴，只是受风噪的影响，在远偏移距(远道)处信噪比有所降低。该试验记录说明，在中等风力的环境下，电火花震源激发得到的地震记录信噪比仍然高于落锤震源，尤其体现在红色区域双程时400～700 ms范围内。

图5 弱风条件下落锤震源(a)与电火花震源(b)激发单炮记录对比Fig.5 Seismic record comparison stimulated by drop-hammer source(a) and sparker source(b) under weak wind

图6 中等风力条件下落锤震源(a)与电火花震源(b)激发单炮记录对比Fig.6 Seismic record comparison stimulated by drop-hammer source(a) and sparker source(b) under moderate wind

强风(5～6级)：当风力达到5～6级时，风噪干扰对地震记录影响较大，应该停止野外采集作业或停工留守等待，待风小或风停后再进行数据采集工作。在此强风环境下，开展了落锤震源和电火花震源的对比试验，如图7所示，由单炮地震记录可见，落锤震源激发的地震记录的反射信息小于300 ms，且同相轴连续性较差，信噪比受强风噪影响明显，尤其体现在远偏移距处(远道)，如图蓝色区域内，直达波及浅层反射波受风噪影响明显，且双程时大于300 ms处无明显反射信息；而电火花震源激发的地震记录双程时小于400 ms处受强风噪干扰影响较小，信噪比仍然较高，如图中红色方框所示，双程时大于500 ms处，仍可识别较清晰的反射波信息，且同相轴连续性较好，如图中橙色方框所示。试验表明，强风环境下，电火花震源激发得到的地震记录信噪比及探测深度仍明显高于落锤震源。

图7 强风条件下落锤震源(a)与电火花震源(b)激发单炮记录对比Fig.7 Seismic record comparison stimulated by drop-hammer source(a) and sparker source(b) under strong wind

在砂质滩涂区不同风噪干扰环境下，通过落锤震源和电火花震源的激发对比试验分析，表明电火花震源激发得到的地震记录信噪比明显强于落锤震源，且探测深度也要比落锤震源深。即使在强风干扰环境下，电火花震源激发的地震记录仍可满足探测要求。分析原因其一，潮间带区退潮后施工阶段，浅部地层均处于饱含水状态，致密性较好，电火花震源在孔中激发，激发效果好；其二，电火花震源在井中激发，避开了表层泥沙对能量的吸收作用，激发的地震波能量充分下行传播，使电火花震源在滩涂区的真实下行传播能量大于落锤震源。

2.3.3 硬泥质滩涂区激发对比试验

电火花震源和落锤震源在硬泥质滩涂区激发得到的地震记录频率存在较大差异，电火花震源激发频率较高，落锤震源激发频率较低，两种震源激发的单炮记录如图8所示，两个单炮记录的频谱分析如图9所示，落锤震源激发的浅层反射波主频为100～120 Hz，有效频带宽度为50～150 Hz；而电火花震源激发得到的浅层反射波主频可达到200 Hz，有效频带宽度为50～350 Hz，两个地震记录的频率差异较大，因此，电火花震源激发的地震记录纵向分辨率较高，对较小厚度地层的识别能力强于落锤震源。

3 应用效果分析

在硬泥质滩涂区环境噪声较小时，选用落锤震源和电火花震源分别进行了剖面数据采集，剖面位置如图1中蓝线所示，采集参数为：道间距3 m，接收道数96道，最小偏移距9 m，采样率0.25 ms，记录长度2 s，剖面长度1.75 km。图10为落锤震源和电火花震源激发得到的反射地震时间剖面。

分析两个浅层反射地震剖面可见，两种震源的探测深度相当，最深层反射波的双程时约800 ms，时深转换后深度约为800 m，但电火花震源激发得到地震剖面的整体信噪比明显高于落锤震源，尤其体现在双程时大于400 ms处，电火花震源激发得到的地震剖面反射波同相轴连续性较好，分辨率较高，而落锤震源激发得到的地震剖面信噪比较低，甚至反射波同相轴变得不连续，尤其双程时800 ms处基岩顶界面对应的反射波同相轴连续性很差。造成以上效果差异的主要原因为落锤震源在淤泥地表条件下激发，部分能量被表层泥沙吸收，其产生的能量较小；而电火花震源在1 m以下的井中激发，激发点处介质饱含水，致密性好，激发能量强，且有效避开地表泥沙对能量的吸收作用，使激发的地震波能量充分下传，基于上述因素，电火花震源激发得到的地震剖面探测深度及分辨率均高于落锤震源激发的地震剖面。

图8 泥质滩涂区落锤震源(a)与电火花震源(b)激发单炮记录对比Fig.8 Seismic record comparison stimulated by drop-hammer source(a) and sparker source(b) in mud area of tidal flats

图9 落锤震源(a)和电火花震源(b)激发地震记录的频谱分析Fig.9 Spectral analysis of seismic records stimulated by drop-hammer source(a) and sparker source(b)

4 结论

通过对比分析各种类型震源在沿海滩涂区激发得到的地震记录，总结得出夯击震源、锤击震源、落锤震源和电火花震源各有其适应性：

1)夯击震源激发能量较强，但激发记录近偏移距处信噪比较低，受周期性共振线性干扰影响较大，因此夯击震源不适合在滩涂潮间带区激发施工；

2)锤击震源轻便灵活，激发记录信噪比较高，但其激发能量较小，当外界环境噪声(风噪)增大时，其探测深度变浅，且施工效率降低；

3)落锤震源能量较强，地震记录信噪比较高，但不适合在泥质滩涂潮间带区激发施工，由于其激发能量较强，较适合在滩涂围垦区开展工作；

4)电火花震源在井中激发，效果可等同于炸药震源，在滩涂潮间带区激发效果较好，且其激发能量可充分下传，激发得到的地震记录，在信噪比、探测深度、记录主频、受风噪影响等方面均优于以上几种激发震源，因此电火花震源适合在砂质和泥质滩涂潮间带区激发施工，但在围垦区松散介质中激发时，其激发的能量小于落锤震源，因此不适合在滩涂围垦区施工。