煤田地震可控震源试验资料量化分析技术

单 力，李 亮

(1.陕西省煤田地质集团有限公司，陕西 西安 710026；2.陕西省煤田物探测绘有限公司，陕西 西安 710005)

0 引言

对煤田地震野外采集试验资料进行定量分析，能够有效地避免因人工分析经验等因素的缺陷，使得试验资料分析评价结果更合理、更规范、更科学。在野外施工现场对采集的地震试验记录资料和生产地震单炮记录资料，当地震单炮记录资料品质达到一定信噪比的基础上再进行定量分析，最终为煤田地震勘探野外数据采集施工参数的设定提供依据，进而达到指导地震勘探野外数据采集生产，保障原始地震勘探资料质量。

1 试验资料量化分析方法

地震勘探试验资料的量化分析包括信噪比分析、频率分析、频时域分析、时频域分析、能量分析、分频扫描分析和自相关分析等。经上述分析后，能够定量、直观地表示单炮地震记录的频率、能量、信噪比等量化信息，进而分析得出地震勘探资料采集的接收、激发、仪器和环境背景等因素对采集地震资料质量的影响，最终确定最佳的地震勘探野外采集施工参数和施工方案。其分析流程如图1所示。

图1 试验资料量化分析流程

2 工区概况

工区属于新疆玛纳斯县管辖区，勘探区与101省道之间有简易公路，里程约5 km，交通条件较差。勘探区大部分区域有牧道，沟壑纵横，地形较为陡峭，通行非常困难。勘探区距离玛纳斯县直线距离约50 km，向东120 km到达乌鲁木齐。工区位于天山北麓低中山区，属于自然林区和草原，植被较为发育，地势南高北低，西高东低，海拔高度1 733～1 900 m。

2.1 地层及构造

勘查区内出露地层由老至新有：第四系(Q4)现代沉积、头屯河组(J2t)、西山窑组(J2x)和侏罗系下统三工河组(J1s)。侏罗系中统西山窑组为主要的含煤地层，其含煤性较好，煤层赋存较为稳定，煤层数较多，厚度较大，且在勘探区内全区赋存。煤层主要赋存于西山窑组，煤层有25层，其中可采煤层为13层，煤层编号为B13-B1号。全区含煤，该段煤层组合特征为4～5层厚煤层及其间7～8层薄煤层组成。煤层总厚51.06～57.35 m，平均煤层厚度为54.21 m，此段的地层平均厚度约830 m，含煤系数约6.5%。含可采煤层13层，厚度48.80～53.74 m，平均厚51.27 m，含可采煤系数为6.2%。煤层总体变化趋势不大且间距较稳定。地层中含煤不均匀，底砂砾岩段中不含煤；下层含煤层段含煤性最好；中层含煤层段含煤性相对略差；上层含煤层段含煤性最差，煤层多为灰分高或煤与炭质泥岩的薄层，且沿走向上厚度不稳定。勘查区整体为一近东西走向的北倾单斜构造，浅部靠近南部急倾斜，倾角在70°～88°，近似直立局部倒转；北部及向深部逐渐变为一向北缓倾斜单斜构造，倾角在15°～35°。浅部沿走向局部被北东和北东向的压扭性平(推)逆断层错断，规模不大，对地层形态影响不大。

2.2 地震地质条件

勘探区内广泛分布第四系松散黄土，该地层结构松散，地震波传播速度较低，对地震波的激发吸收衰减作用较强烈，对进行高分辨率地震勘探极为不利，勘查区内局部地段有坡积物，多由碎石和黄土堆积而成，激发频率较低；勘查区局部区域有基岩出露，当在基岩段震源激发时，地震波传播速度较大，有利于进行高分辨率地震勘探，当存在基岩段对应地表起伏不定时，震源与大地耦合条件较差。本区主采煤层发育稳定，煤层与上下围岩地层之间波阻抗存在较大差异，煤层顶板和底板地层为砂岩、粉砂质泥岩或泥岩是良好的地震反射界面，理论上可形成能量较强的地震反射波，勘探区深部地震地质条件较好。综上所述，勘探区具备进行地震勘探的地球物理前提条件。可控震源是一种高效、安全、经济、环保的地震勘探激发方式，在煤田地震勘探中进行了广泛使用，符合当今国家对安全和绿色勘查的要求，同时使用可控震源激发技术可有效地避免地震勘探激发成孔困难和炸药震源对环境扰动的影响等工程施工问题。

3 试验资料分析

本次试验观测系统采用中点激发220道接收，道距10 m，炮距10 m，110次覆盖，共110炮。采样率为0.5 ms，记录长度为4.0 s，记录格式SEG-D，记录频带为全频录制。本次地震勘探试验工作主要是对可控震源的驱动幅度、扫描长度、扫描频率、扫描次数及震源台次进行不同参数对比试验，对获取的地震单炮记录进行定量分析后选择合理、有效的可控震源激发参数，确保获取的原始地震资料品质，更好地完成本次勘探地质任务。

3.1 震源驱动幅度试验

可控震源的驱动幅度选择要考虑震源车底板和地面的接触耦合情况。当震源车底板与地面的接触耦合良好时，可适当增加震源驱动幅度以增加激发能量。当地面的凹凸不平导致震源车的底板与地面的接触耦合较差时，可以适当地降低可控震源的驱动幅度，可以消除地震单炮记录中可能会产生的假象。本次试验震源驱动幅度试验选用1台震源，扫描长度16 s、扫描次数1次、扫描频率4～100 Hz，驱动幅度分别采用50%、55%、60%、65%、70%、75%得到不同的单炮地震数据，如图2所示。对不同单炮地震数据进行能量、信噪比、频率定量分析，选择最佳驱动幅度，如图3所示。

图2和图3显示，随着可控震源的驱动幅度的升高，能量逐渐增大，但是信噪比逐渐降低。驱动幅度分别为60%、65%、70%时，频带较宽，综合分析认为70%驱动幅度参数最佳。

图3 不同驱动幅度单炮记录能量、信噪比、频率分析

3.2 扫描频率试验

采用可控震源进行地震波激发时需要给定一定的扫描长度，可控震源输出频率是由低向高依次进行扫描，扫描频率的选择决定了频率最低值和最高值。若频率最低值太小时，低频信息的振幅能量衰减较为强烈，可控震源此频率范围内随着扫描时间变长，能量会损失一部分，频率最低值的选取有利于低频率的干扰信号的压制。在得出最佳驱动幅度为70%后，选用1台震源，扫描长度16 s、扫描次数1次，扫描频率试验分别采用4～74 Hz、4～84 Hz、4～100 Hz、4～110 Hz得到不同的单炮地震数据，如图4所示。对不同单炮地震数据进行能量、信噪比、频率定量分析，选择最佳扫描频率，如图5所示。

从图4和图5中可以看出，扫描频率为4～100 Hz和4～110 Hz激发时，地震资料信噪比较高；扫描频率为4～110 Hz时，频带较宽。综合分析选择4～110 Hz扫描频率。

图4 不同扫描频率试验记录

图5 不同扫描频率试验记录信噪比估算及频率分析

3.3 扫描长度试验

可控震源进行地震波激发时需要给定扫描长度，具体是指可控震源向地下发射频段最低值增加到最高值多需要的时间长度，其控制着震源激发向地下发射的能量强弱程度，与常规地震勘探使用的炸药震源的药量相同。理论上讲随着扫描长度的增加所激发的能量会越强，相对应的地震记录信噪比就越高，但并不是扫描长度越长越好，当震源激发扫描长度过长或大于地层弹性形变的有效范围时，所获取的地震单炮记录会出现二次虚波造成假象而导致地震资料分辨率降低。在以上得出最佳驱动幅度和扫描频率后，选用1台震源，扫描次数1次，扫描长度试验分别采用8 s、12 s、16 s、20 s得到不同的单炮地震数据，如图6所示。对不同单炮地震数据进行能量、信噪比、频率定量分析，选择最佳扫描长度，如图7所示。

图6 不同扫描长度试验记录

图7 不同扫描长度试验记录能量、信噪比、频率分析

图6、7显示，随着可控震源扫描长度的变长，地震单炮记录能量逐渐增大。在12 s和16 s时，信噪比最好，16 s和20 s时频带最宽。综合以上分析认为震源激发扫描长度选择16 s比较合适。

3.4 扫描次数试验

可控震源的扫描次数与地震勘探理论中的叠加次数相似。从地震波能量方面讲，可控震源扫描次数的增加提高了有效地震反射波的能量强度，同时提升了压制随即干扰波的能力。在以上得出最佳驱动幅度、扫描频率后、扫描长度后，扫描次数试验分别进行1次、2次、3次得到不同的单炮地震数据，如图8所示。对不同单炮地震数据进行能量、信噪比、频率定量分析，选择最佳扫描次数，如图9所示。

图8和图9显示，随着可控震源扫描次数升高，对应地震单炮记录能量逐渐增大，频带逐渐变宽。2次扫描时信噪比最好，综合分析选择2次扫描。

图8 不同扫描次数试验记录

图9 不同扫描次数试验记录能量、信噪比、频率分析

3.5 震源台次试验

可控震源激发可采用 1台震源或多台震源进行组合激发，多台震源组合进行激发是为了增强震源向地下发射的地震波能量强度，若使用1台震源进行激发时，会因震源发力过强将大部分能量浪费在浅薄层低速层中，最终达到压制地表背景环境干扰波的目的。并不是施工使用震源台次越多越好，当使用震源台次增多到一定程度后，地震波能量的叠加会降低有效反射波的主频，对进行高分辨率的地震勘探方法不利。在以上得出最佳驱动幅度、扫描频率后、扫描长度后及扫描次数后，进行震源台次的试验，震源台次对比试验分别采用1台震源激发、2台震源组合激发、3台震源组合激发获取了相对应的原始地震单炮数据，优选最佳震源台次，如图10所示。对不同震源台次单炮记录进行能量、信噪比、频率的定量分析，如图11所示。图10和图11显示，随着使用的震源台数的增多，震源所激发的地震波能量逐渐增强，对应有效地震波频带逐渐变宽。但是采用2台震源激发时信噪比最好，综合分析选择2台震源激发。

图10 不同震源台次试验记录

图11 不同震源台次试验记录能量、信噪比、频率分析

4 结论

地震勘探的试验地震资料品质的决定了正式生产所获取的地震原始资料的品质，同时也决定了后续地震资料处理和解释成果以及提交地质成果的精度。因此，地震勘探试验地震资料品质的评价在整个地震勘探过程中是一项基础环节，极其重要。目前在煤田地震勘探工作中对地震单炮记录品质进行评价仅凭技术人员的经验进行判断，经验方法仅能达到对地震资料的定性分析，采用地震资料定量分析软件对地震勘探野外采集的单炮地震记录进行定量分析，定量分析结果相对传统经验方法更加直观、合理、科学，能够更好的指导煤田地震勘探资料采集施工。