甲烷气爆震源性能研究及其在粤港澳大湾区化龙断层探测中的应用
2021-12-13徐善辉王伟涛许卫卫王力伟马晓娜王翔孟川民杨微
徐善辉， 王伟涛*， 许卫卫， 王力伟， 马晓娜， 王翔， 孟川民， 杨微
1 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 广东省地震局, 广州 510000 3 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理实验室， 四川绵阳 621999
0 引言
地震波是研究地球内部结构的重要工具，是照亮地下的明灯(陈颙和朱日祥，2005).天然地震释放的地震波能量强，可传播几千至几万公里，适用于地球内部大尺度结构和演化研究.人工震源解决了天然地震发生时间不确定和位置不可控的问题，被广泛应用于浅部结构探测、矿产资源勘查等领域(Mooney et al.,2002).当观测系统接收点足够密集时，人工震源的激发特征如传播距离和优势频率等，决定了浅部结构成像的范围和精度.就主动源探测常用的P波信号而言，频率较高的地震波信号具有更小的波长，对于地下介质结构的分辨率更高.然而，高频地震波在介质中传播时衰减更快，成像范围会受到局限.提高激发能量又会对激发点附近环境造成更严重的破坏，使其应用受到限制.人工震源的使用，需要针对研究目标在传播距离、成像分辨率以及环境破坏程度之间找到一个平衡点.
炸药震源是过去几十年中使用最广泛的人工震源，深地震测深技术利用大当量炸药震源获取地壳和上地幔顶部的速度结构(Li et al., 2006; Zhang et al., 2011; Dong et al., 2013)，矿产勘查中则利用密集激发的小当量炸药震源获取精细的局部精细结构.由于炸药爆炸会产生有害化学物质污染环境，其使用范围越来越受到限制(李稳等，2020).因此，研究人员发展了基于连续震动的震源，如Minisosie、Vibroseis及ACROSS等可控震源技术来替代炸药爆破产生地震波(Yamaoka et al., 2001；常旭等，2008；王洪体等，2009)，但相比炸药震源，这些震源激发地震波时能量转换效率相对较低.大容量气枪在陆内水体中瞬间释放高压气体可激发具有极高重复性的地震波，近年也得到了广泛应用(王宝善等，2016;Chen et al., 2017)，但气枪震源激发需要水体作为媒介，使用因此也受到限制.
氧气和可燃性气体(如氢气、甲烷等)混合，在密闭容器中、一定能量条件下点火可发生气相爆轰反应，产生高压，炸开密闭容器后快速释放高压气体可形成冲击波(张博和白春华，2014；董石等，2017).以甲烷和氧气混合为例，气相爆轰反应生成水和二氧化碳，是一种对周围环境造成极少污染的绿色震源，同时该震源主要在陆地井中进行激发，对气枪震源是一个较好的补充.2017年12月，南京大学联合国内多家单位在江西景德镇朱溪钨矿区开展了主动震源观测实验，对该区成矿结构进行探查.研究人员利用研制的基于甲烷和氧气的混合气体爆轰震源(以下简称气爆震源)进行了测试激发，并对观测数据开展了震动信号特征分析，同时与可控震源车、气枪震源等进行了比对分析(Wang et al.，2019).后期经相关工程技术人员改进，在2018年实现了气爆震源的初步定型，并于2018年12月在山西省晋中市进行了一次与炸药震源的同点对比实验.实验结果表明气爆震源激发的地震信号具有能量大、频带宽、传播距离远等特点，是一种潜在的优质绿色震源.
粤港澳大湾区(简称大湾区)是与东京湾区、纽约大都会湾区以及三藩市湾区相媲美的全球第四大湾区，是国家建设世界级城市群和参与全球竞争的重要空间载体.大湾区内人口密集、经济发达、城市群密集、高楼林立，生命线工程错综复杂，通讯、金融、交通等网络遍布，财富高度集中.因此，大湾区地震灾害具有环境敏感程度高，人员伤亡重，经济损失大，社会影响广的特点.而探明大湾区地下浅层三维结构及隐伏断裂是提升该区域自然灾害防范能力的关键.国内外大量震例和科学研究表明，活断层沿线是震灾最集中、人员伤亡最严重的部位，其损失程度明显地大于断层两侧的其他区域(邓起东等，2003;酆少英等，2015).为减轻地震活断层在地震灾害中的巨大破坏作用，必须查明城市地下地震活断层的分布，从而在城市建设中避开地震活断层.为此，广东省地震局启动了《粤港澳大湾区浅层三维结构探测(一期)》防震减灾专项，先期工作选取已开展过钻探、反射地震等工作的狮子洋断裂西支-化龙断裂作为试验目标.浅层地震勘探是城市活动断层探测中解决隐伏断层定位及切割地层层位的最主要方法之一，而在城市内部，爆炸震源一般不能使用，甚至部分地区可控震源、大型夯击震源的使用也都十分受限，本文工作即在考虑该困境的基础上，采用新近发展的气爆震源作为主要激发方式，尝试在较少的震源点位置进行气爆震源激发，形成密集观测稀疏激发的观测系统，使用直达波走时层析成像的方法进行近地表公里级P波速度结构探查，以期发展一种较低成本获得城市地区断层结构信息的方法.
本文首先比较气爆震源在不同尺寸、充气压力及激发深度条件下的激发效果差异，对激发参数进行优化；通过气爆震源多炮记录进行研究区域浅部结构反演成像；基于背景噪声记录获得纵/横波波谱比(HVSR)，根据经验关系得到研究区域浅部沉积层深度分布，并与反演成像结果进行对比；最后对结果进行讨论.
1 气爆震源激发特性分析
1.1 不同气爆震源装置的测试与分析
为更好地了解气爆震源特性，以便其可以大规模应用于地球物理勘探，对多种震源参数组合的激发效果进行了比较测试.测试内容包括不同尺寸震源容器、不同井深、不同初始注气压力等，详细参数如表1所示，气爆震源爆炸部分为一细长中空圆柱体，表中装置型号第一个汉字表示圆柱体成型方式，“标”和“科”类型圆柱底部使用螺丝固定，“焊”表示圆柱体底面为焊接型，后面两个数字分别为圆柱体的底面直径及高度(单位mm)，这两个值决定了爆炸部分装置大小及有效储气体积.测试过程采用48个检波器等间距线性排列接收，检波器间距5 m，型号为自然频率5 Hz的SG-5型；气爆震源位置设计在第35个检波器附近；用于信号接收的地震采集系统为428XL-lite.测试过程数据采样率为1 ms，采集时长为1 s.
根据最大偏移距处(第1道)绝对值平均振幅高低对12次激发结果进行排序，结果见表1所示.根据表1及图1a所示可见震源激发能量大小与装置体积大小正相关，较大装置激发能量明显高于较小装置的激发能量，对相同大小的震源装置来讲，激发能量与注气压力大小正相关，9 MPa初始充气压力激发能量明显强于6 MPa初始压力激发.图1b所示为图1a中相应颜色的窗口数据对应的FFT振幅谱.由图1b可以看出：首先，本次实验激发出信号分为较低频的面波成分(约5～15 Hz)和较高频率的初至体波成分(约15～25 Hz)，面波主频在12 Hz左右，各震源激发所得结果基本一致；其次，由图1b可以明显看出shot02记录高频成分最优，在进行浅层高分辨率勘探时应该首选该类型震源.
图1 不同参数震源激发效果比较(a) 12次激发得到的地震记录，从上至下不同颜色框内依次为shot01至shot12记录，其中每个记录时长为1 s，采样间隔为1 ms； (b) 图(a)中相应颜色窗口数据对应的FFT振幅谱.Fig.1 Comparison of the activate performances for different parameter combinations in the methane gas explosion source(a) Seismic records from 12 excitations, the sequence from top to bottom is shot01 to shot12, in which the total recording time is 1 s with a time sampling of 1 ms. (b) FFT amplitude spectrum corresponding to the windowing data in (a).
表1 不同型号震源激发情况表Table 1 Excitation of different types of seismic sources
该实验表明，使用容积较大的震源能有效增强激发能量，同时初始注气压力应尽量高，但压力过高容易造成震源装置直接喷出井口，具有安全隐患.激发井深应该尽量加大，在基岩或者潜水位以下激发效果较好.不同激发环境下激发的地震信号能量差异大，但频率范围差异较小.对于区域尺度成像工作来讲，主要利用初至波进行走时成像，有效信号传播的距离将直接影响成像深度，因此应该尽量使用具有较大能量的震源装置，且激发环境也应该尽量有利于地震波的产生和传播.综合考虑shot01的震源参数组合实现的激发效果最好、性价比最高，在接下来的浅部结构成像工作中我们采用的气爆震源型号和激发参数参照shot01完成.
1.2 气爆震源激发环境振动分析
国家《爆破安全规程(GB6722-2014)》中对于建筑安全允许的质点振动速度做出了明确规定：对于一般民用建筑物，允许的爆破振动速度峰值为：1.5～2.0 cm·s-1(f≤10 Hz)，2.0～2.5 cm·s-1(10 Hz
两种震源激发地震记录如图2所示，两种震源激发记录品质基本相当，箭头所指的目标层反射信号均清晰可见，气爆震源记录信噪比略低于炸药震源，但整体频率高于炸药震源，理论上具有更高的分辨率.依据前期工作经验(Wang et al.，2019)，该类型气爆震源所包含的化学总能量约为E=5.36 mol×850 kJ·mol-1=4.56 MJ，储能约等于1150 g炸药包含的能量，仅相当于炸药震源的1/8，而根据热力学实验及理论研究，对外做功能量约占总化学能30%左右，因此，该震源用于产生地震波的能量释放约为1.4 MJ，约相当于350 g炸药的能量.这表明新型气爆震源将化学能转换为机械振动的转化率是比较高的.
图2 同点激发的炸药震源和气爆震源激发地震记录比较(a) 8 kg炸药激发记录； (b) 气爆震源激发记录，震源装置型号为表1中所述的108-1000型号，注气压力为6 MPa.Fig.2 Comparison of the seismograms for gas explosion and traditional explosion source which excited at the same point(a) The seismograms of 8 kg traditional explosive excitation; (b) The seismograms of methane gas explosion source, the source device is 108-1000 described in Table 1, and the gas injection pressure is 6 MPa.
表2给出了距两种震源激发点不同距离处激发的地面运动速度峰值.从表中可以看出，炸药震源近场地表振动三个分量数值大小基本相当，而气爆震源近场地表振动记录水平分量峰值远小于垂直分量峰值，气爆震源在20 m处的振动峰值已经满足爆破安全规程要求.这表明：在达到同样勘探效果条件下，气爆震源激发引起的地表振动速度峰值远低于炸药震源，尤其是水平方向振动速度.产生这种现象的原因可能是由于气爆震源采用了定向激发的技术设计，主要激发能量垂直向下，另外一种可能原因是两种震源激发S波的效率不同，导致峰值运动对应于不同的震相.利用强震仪测定结果也表明气爆震源激发时30 m以外的地表加速度也远小于国家抗震设计规范(Wang et al.，2019)，这一特性使其在城市地区具有较强的适用性.
表2 不同震源测试点爆破振动速度峰值Table 2 Peak value of blasting vibration velocity at different test points
2 化龙断裂气爆震源走时层析成像
2.1 数据采集
跨化龙断裂二维地震测线长度约10 km(图3)，数据采集使用短周期地震仪进行连续记录，包括178个EPS-2型和69个SmartSolo HR-16-3C型短周期地震仪.震源激发工作由四川绵阳的伟博震源科技有限公司完成，使用的震源装置型号为WB-133-1000，为直径133 mm、高度1000 mm的圆柱体装置，可容纳气体有效容积约10.8 L，每个炮点位置处的激发基本流程为
(1)打井：井体参数直径约15 cm，深度大于10 m，保证激发装置在基岩环境中；
(2)注气：在圆柱体装置中依次注入氧气2.5 MPa和甲烷气体5 MPa；
(3)起爆：使用具有GPS授时的高压起爆器对可燃气体点火起爆.
本实验中累计完成气爆震源激发点10个，炮间距约1 km， 在10个点完成13次激发，多数点位临近公路或靠近居民点，最近的点位距房屋仅3 m炮点和检波点位置见图3.作业人员严守流程、严格闷井，13次激发均实现了地表无破坏、周边无损坏，全程安全顺利.震源装置为底部破膜定向激发，能量主要向下传播，不会在地下形成空洞或造成地面塌陷；震源使用气体为氧气和甲烷，激发后产物是水和二氧化碳，基本不会对土壤及环境产生污染.
图3 测线激发炮点和接收点位置分布(a) 测线附近地形图； (b) 测线周边区域地质图(修改自全国数字地质资料馆1∶20万地质图F4918幅数据，其中蓝色线表示测线位置，红色点断线表示地质资料推测化龙断裂位置,线段AB为本次跨化龙断裂布设的密集测线位置示意).Fig.3 The location distribution of shots (methane gas explosion) and receiver points in this experiment(a) The nearby topographic map of the profile, in which shots (methane gas explosion) are represented by green squares and the receiver points are showed as red squares； (b) The geological map of the profile (modified from 1∶200000 Regional Geological Map，the blue line denotes the profile, and the red dot-dash line represents the Hualong fault).
图4 (a) 观测系统示意图(红色星号为炮点，蓝色三角形为检波点)； (b) 从10炮气爆震源激发记录中拾取的初至波走时散点图Fig.4 (a) The schematic diagram of acquisition system, and red asterisk represents the shot, blue triangle denotes the receiver; (b) The travel-time scattering diagram of first arrivals picked from seismic records excited by 10 gas explosion source
2.2 走时层析成像
本次实验炮点和检波器在测线上呈二维分布，故本次处理采用二维处理的方法.使用的处理程序为Geogiga二维层析处理模块.建立的观测系统以最西南的炮点位置为坐标原点.二维投射后的观测系统如图4a所示，最大偏移距可达14.5 km左右，2～14 km检波点覆盖较好.断层附近进行了加密观测，9～14 km跨断层位置检波点间距约为50 m.首先依据激发时间从短周期地震仪连续数据中截取炮集记录，激发点位于断层附近的炮集记录见图5所示，从该炮集记录可见信噪比较高的初至波和直达波信号，其中初至折射波信号视速度V1约为4.35 km·s-1，直达波视速度V2约为1.5 km·s-1，直达波震相在记录中发育较少，意味着该测线上低速层(第四系沉积层)厚度小且横向不连续.
图5 气爆震源激发的炮集记录(震源位于10.2 km处，10～11 km部分可见明显的直达波信号)Fig.5 The seismograms of methane gas explosion source, the source is located at 10.2 km, and the direct wave signal can be recorded obviously at a distance from 10 km to 11 km
表3 一维平均层状变化速度初始模型表Table 3 Initial model of one dimensional average laminar velocity
为了能够准确拾取更多的可用初至，需要对数据进行带通滤波处理.由于测线部分位置紧邻公路，噪声干扰较为严重，对主动源信号及噪声干扰进行频带分析后选择合适的带通滤波参数，通带范围为30～120 Hz，可以有效地压制公路上车辆行驶等引起的低频面波信号，更好的突出主动源体波信号.随后对10炮数据进行逐炮逐道初至时刻拾取，拾取结果见图4b，依据拾取的走时可以近似计算一维平行层速度初始模型，建立的速度模型如表3所示.层析计算的主要参数见表4所示，单炮集记录上拾取走时和反演走时见图6a所示，所有炮集反演前后走时拟合情况见图6b.可见各炮反演走时与拾取走时拟合较好，特别是中小偏移距部分.反演所得的二维P波速度剖面及地质解释结果见图7.
表4 反演主要参数表Table 4 The main inversion parameters
图6 层析反演过程中炮集记录的走时拟合情况(a) 经带通滤波后的炮集记录及其初至波拾取走时(红色点)与拟合走时(绿色点)； (b) 所有10炮记录的拾取走时(黄色点)和反演拟合走时结果(绿色点).Fig.6 The travel time fitting of seismogram in the process of tomography inversion(a) The seismogram after band-pass filtering as well as the first break picking travel time (red point) and fitting travel time (green point); (b) The picking travel time (yellow point) and inversion fitting travel time (green point) of all 10 shot records.
图7 反演所得的二维P波速度剖面(a)及地质解释结果(b).结合图3b地质图，6 km处的第四系分布与地质图中的由于水域覆盖导致的不明地质区域吻合，9 km以东为连续的第四系覆盖区域，约11 km处横向速度不连续位置与地质图中推测断层位置吻合.Fig.7 The two-dimensional P wave velocity profile (a) and geological interpretation results (b)According to the geological map in Fig.3b, the distribution of Quaternary system at 6 km is consistent with the unknown geological area caused by water cover in geological map. The Quaternary coverage area is continuous in the east of 9 km, and the discontinuous position of lateral velocity at about 11 km is consistent with the fault position predicted in geological map.
2.3 成像结果分析
地质勘察资料表明，该测线西侧主要位于珠江三角洲冲积平原内，地表为第四系所覆盖，周围无基岩出露.在地质构造上剖面处在西、北江三角洲断陷区黄阁断块区的东部边界地带，黄阁断块区相对西、北江三角洲断陷区属于上升区.如图3所示，测线西侧则有较多出露元古届、下白垩统及燕山期花岗岩(梁干和吴业彪, 2013)，地貌上是低丘台地，一般高程在30～50 m，个别近100 m.化龙以东三角洲堆积平原区域，地势平坦，地表高程在1.5 m左右.测线地层东北段基本呈水平形态，相对起伏变化不大，西南段相对起伏变化较大.
钻孔调查的结果表明：该测线的覆盖层底界埋深为12～30 m，风化壳底界为36～59 m，这与根据层析速度结果圈定的厚度基本一致，在前人工作过程中，浅震测线13桩号2 670 m处同相轴错断，钻探结果表明该处存在的断点为正断层，视倾向北东，视倾角较陡(梁干和吴业彪, 2013)，该位置与本文成像结果所示的11 km处横向速度突变位置吻合.浅层反射地震探测与钻孔结果反映(梁干和吴业彪, 2013)化龙断裂是一条走向北北西倾向北东东的正断层，是西、北江三角洲断陷区与黄阁断块区边界断裂，它向上错断到T1地层界面，相当于第四系覆盖层的底界，断层隐伏于第四系之下，晚更新世以来的沉积厚度由西向东逐渐变厚，钻探揭露和物探显示，断裂两盘晚更新世以来的沉积物厚度没有明显的突变，第四系层位无明显变化，晚第四纪以来断层无活动迹象，沉积物也未受到扰动，而在此之前形成的基岩风化壳也未受到断裂的错动.这与本文成像结果也吻合较好，11 km处横向速度异常只存在于划定的低速第四系范围以下，第四系范围内平滑连续无异常.同时，考虑钻探结果所揭示断层东西两侧具有岩性区别(梁干和吴业彪, 2013)，一侧为强风化的细砂岩，一侧为全-强风化的混合花岗岩，这可能是速度剖面中第四系低速下方断层两侧速度差异明显的原因.
2.4 成像结果与背景噪声HVSR对比分析
HVSR (horizontal-to-vertical spectral ratio)，是基于背景噪声波形记录研究浅地表结构的单台方法，HVSR 定义为地动信号的水平分量和垂直分量的频谱比，其中水平分量包括了三分量地震仪中的南北(N-S)和东西(E-W)分量：
(1)
根据(1)式，对接收气爆震源数据的仪器记录截取部分噪声数据进行了HVSR计算.在计算过程中，为了剔除各种瞬态干扰，使用了反触发式的长短时窗平均振幅比(Short Term Average/Long Term Average)法识别稳定的有效地脉动信号.窗口长度设为50 s，窗口重叠率20%，使用5%的汉宁窗进行尖灭处理，长时窗与短时窗长度分别取为10 s和0.2 s，触发阈值设置为5，考虑不同仪器可能出现的一致性不同的问题，特别是低频响应的不同，仅使用178台EPS-2型仪器的数据进行计算，使用的数据总时长为24 h.计算所得的共振频率结果见图8a所示，可见共振频率峰值均在1～3 Hz之间，符合广州地区已有的计算结果(宗健业等，2020).
图8 HVSR分析结果及其与地震层析结果对比(a) HVSR计算所得的卓越频率分布; (b) 利用经验公式转化成深度剖面上的HVSR谱比值分布; (c) HVSR谱比峰值位置(红色圆点)在层析速度剖面上的投影结果.Fig.8 HVSR analysis results and their comparisons with tomography results(a) The predominant frequency distribution calculated by HVSR; (b) Converted into the projection result of HVSR spectral ratio distribution; (c) Its peak position (red dot) on the depth profile by using empirical formula.
获得卓越频率后，使用经验公式可以快速计算沉积层厚度，国内学者通过使用经验公式得到了北京和保定地区沉积层分布(王伟君等，2009；陈棋福等，2008)，与已有研究结果如地质剖面图等都具有很好的一致性，Bao等(2018)使用该方法对唐山等地区进行了沉积层厚度测定，结果较为可靠，也有学者在山东地区开展了相应研究，结果与SPAC成像结果吻合(Tian et al.,2019).以上研究表明经验公式在国内不同地区都具有很好的适用性；而在广州地区，前人根据钻孔资料对比，发现通过(2)式获得的沉积层厚度与实际厚度更为符合(宗健业等，2020)，本文使用公式(2)将HVSR放大系数由频率域转化成深度域，结果见图8b，拾取其峰值，并按其位置及深度投影到速度层析剖面上如图8c，与速度层析结果圈定的第四系沉积底界面位置吻合较好.
由图8可见，整条测线HVSR峰值频率均在1～5 Hz之间，3 km处、6～7 km处为地形低洼区域，此处HVSR峰值频率较低，谱比值较大，与图7中走时层析反演结果吻合，以及10 km以后区域存在连续性较好的低频率高谱比值数据分布，与层析结果及地质图中第四系区域吻合.13.5～14 km放大系数部分超过10甚至15以上，由于此处观测仪器多位于金山大道旁，可能和密集车辆引起的交通噪声有关，但10 km以右普遍高于10 km处以左，特别是5～10 km之间，表明10 km处两侧存在沉积层物性差异，10 km以右靠近珠江区域，冲积出来的淤泥质沙土等广泛存在，放大倍数较大很可能与此有关，与此同时，计算结果揭示此区域内沉积层厚度与其他区域相比厚度较大，达到30 m左右，与走时层析结果及前人勘探结果一致.
3 认识与结论
气爆震源能量较强，基本可以满足主动源近地表勘探的需求；与炸药震源相比，气爆震源的环境友好性相对更好，施工便利，安全可控，可在城市地区使用.在广州市跨化龙断裂测线的测试结果表明，基于新型气爆震源的地震走时层析成像可以获得较高精度的浅层结构信息.
受限于成本和城市地区激发环境的限制，无法实现勘探地震中的密集激发、密集接收的观测系统布设模式，区域尺度地震成像工作多以稀疏激发、密集接收的方式进行.这种观测系统布设下，传统成像方法面临挑战.走时层析成像是一种计算地下介质地震速度的重要方法，利用密集观测稀疏主动源激发的方法可进行较高精度小尺度体波成像，但目前使用的普通层析方法仅仅利用了走时信息，如果对主动源记录的波形信息加以利用，对成像的可靠性和精度的提高应该具有较好的预期.
致谢谨此祝贺陈颙先生从事地球物理教学科研工作60周年.感谢伟博震源科技有限公司的震源激发工作，感谢南方科技大学郭震团队提供的数据观测支持，感谢中国科学技术大学孙天为博士生提供的HVSR批量处理程序.
