复杂地形深地震反射数据采集参数优化

2024-01-09晏云翔刘建达王子琛裴跟弟李林元

煤田地质与勘探 2023年12期

晏云翔，李培，智敏，刘建达，王子琛，张颖，裴跟弟，李林元，牟棋，贾晋

(1.中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西西安 710077；2.福建省地震局，福建福州 350003)

当前，对地球深部结构与构造的探测主要依靠电法、磁法、重力、地震等地球物理手段，其中地震探测方法在确定深部地质体的分布范围、埋藏深度、空间位置等方面优势明显，是探测地球深部结构中最主要的方法之一[1-5]。迄今为止，人类对地球内部结构的认识，主要来源于地震波的观察和分析[6]。地震探测是利用采集的地震数据对地震波传播经过的地下结构进行成像，从而达到直观地显示深部地质结构的目的，可对地壳以及上地幔的地层和速度结构和壳内物性界面进行清晰成像显示[7]。深地震反射主要针对地表下3 km−莫霍面范围内地壳的精细结构和大型断裂的深浅构造关系等开展探测，具有探测深度大、分辨率高等特点，被公认为研究大陆深部构造和地质结构的一种有效方法，在岩石圈的形成和演化、地球动力学过程、深浅构造关系、地震灾害预测、矿产资源勘探等方面研究中具有无可替代的优势[8-9]。与常规的煤炭和石油地震探测相比，深地震反射探测深度更大，需要采用较长的接收长度、大药量激发、大偏移距接收等采集参数，探测成本高，存在测线跨度范围广，浅、中、深层地震地质条件复杂、中−深部地壳反射波信噪比低、弯线施工导致共中心点面元离散等探测难点。获得高品质的原始地震数据，是对地壳浅、中、深部区域精细成像的关键基础工作，而采集参数的优化对提高深地震反射时间剖面品质意义重大，这也是深地震反射探测技术的发展方向[10]。

前人在深地震反射探测实践中对数据采集进行了大量的研究，刘保金等[11]利用可控震源组合激发，采用道间距40 m、炮点距120 m、240 道接收，中间不对称激发接收的观测系统，对天山北缘乌鲁木齐坳陷区地壳结构进行了探测；李洪强等[12]针对浅、中、深部不同目的层采用大、中、小三种爆破药量激发，采用道间距50 m，大炮炮点距25 km，单边1 000 道接收，中炮炮点距1 km，小炮炮点距250 m，均采用600 道接收，中间对称激发的观测系统，对六盘山区域莫霍面精细结构特征进行了探测；P.R.Reddy 等[13]采用道间距80/100 m，炮点距100/200 m 的观测系统，获得了印度地盾区的下地壳及莫霍面结构特征；卢占武等[14]采用大、中、小炮炮点布置方式，大炮炮点距50 km、中炮炮点距1 km、小炮炮点距250 m，道间距50 m，大炮最大偏移距48 km，中、小炮最大偏移距15 km 的观测系统，10 Hz 低频检波器接收，探测了拉萨地体北部到羌塘地体南部的地壳结构，形成了较完善的高原区深部探测参数体系；任彦宗等[15]对节点式地震仪探测成果进行了对比分析，确定节点式地震仪能够获得高品质地震数据，是一种主流的地壳结构地震学探测方法，对低成本高效率的地震数据采集意义重大；王光文等[16]对近年来国内外深地震反射探测技术新进展及应用进行了总结，认为在深地震数据采集中，采用大、中、小炮的组合激发采集方式，提高覆盖次数，深井大药量激发可以对浅、中、深不同层次地壳结构进行高精度成像。随着深地震反射探测工作的深入开展，在复杂地形以及地表障碍物较多的地震地质条件下，激发点、激发药量难以按照理论设计布置，导致沿地震测线上覆盖次数不均匀，影响了纵向上浅、中、深部以及横向上不同区域的信噪比和分辨率。因此，开展复杂条件下的深地震数据采集参数的优化研究具有重要意义。据此，笔者依据在福建开展的2 次深地震反射探测工作，通过对比分析原始单炮数据和地震时间剖面特征，在对采集参数效果分析的基础上，提出了该地区数据采集的优化措施及参数，以实现高信噪比的原始地震数据及叠加时间剖面的获取。

1 区域地质概况及深地震反射测线位置

自20 世纪80 年代中期开始，福建省范围内陆续开展了人工爆破地震探测工作，主要包括宽角反射/折射探测和少量深地震反射探测[17-22]，获得了地壳P 波速度结构剖面，初步揭示出福建地区结晶基底厚度2.0～4.0 km，上地壳−下地壳中分层明显，在下地壳区域发育有低速层，莫霍面形态总体上显示东浅西深的特点，在沿海附近约为30.0 km，向西北加深至约33.0 km。福建的深地震反射探测工作开始于21 世纪初，为了获得福州盆地和泉州盆地区地壳结构和主要大断裂的展布特征，在这两区域分别开展了深地震反射探测，剖面长度均不超过50 km，采用的接收排列为150 道，激发药量小，10 Hz 低频检波器接收，总体上接收排列小。2012 年中国地质科学院部署的Sinoprobe-02华南深地震反射探测剖面穿过福建西南部龙岩市及漳州盆地，在福建范围内测线总长度超过220 km，探测深度超过莫霍面，获得了沿测线全地壳地震时间剖面[23-25]，地震数据采集采用了大、中、小炮布置方式，大炮炮点距50 km、药量500 kg，中炮炮点距1 km、药量100 kg，小炮炮点距250 m、药量25 kg；道间距50 m，大炮采用1 000 道单边激发接收、中炮和小炮采用600 道中间对称激发接收的观测系统，10 Hz 低频检波器接收，探测剖面中深部区域及莫霍面显示特征明显，解释了福建西南部政和−大埔断裂东南侧白垩纪岩浆发育特征，以及西北侧武夷山地块多层滑脱体系，推断了东华夏地块白垩纪地壳生长改造过程(表1)。

表1 福建地区以往深地震反射探测采集参数Table 1 Data acquisition parameters for previous deep seismic reflection surveys in Fujian

为了进一步获得福建省区域莫霍面形态、精细地壳结构和构造，确定主要断裂的位置和空间展布，揭示断裂的深浅构造关系，2020 年福建省地震局联合中煤科工西安研究院(集团)有限公司在漳州地区布置了一条100 km 的深地震反射测线(Z01)，该次深地震探测采用了“大、中、小”炮点布置方式，大炮炮点距25 km、药量192 kg，中炮炮点距1 300 m、药量48 kg，小炮炮点距240 m、药量24 kg；道间距30 m，接收道数1 200 道，中间不对称激发接收(长边800 道，短边400 道)，10 Hz 主频的节点式地震仪接收，获得的深地震反射剖面总体显示了莫霍面及地壳结构特征，但是主要反射波的信噪比和断裂构造的分辨率还不够清晰。该次深地震反射探测尽管缩小了道间距，采用了大、中、小炮组合激发的方式，但由于小炮激发的原始单炮记录信噪比较低，对中、深部区域贡献较大的中炮和大炮间距偏大，覆盖次数低，总体上对深部反射波信噪比的提高有限。组合井的间距对中炮和大炮的激发能量有直接关系，但是对井间距的设置没有进行定量的分析，部分中、大炮未能达到设计预期。最大炮检距为24 km，远小于探测区莫霍面深度，未能获取到更多深部区域的反射波。

在该次深地震反射探测的基础上，2022 年布置了3 条深地震反射探测测线，包括2 条NW 向测线(L1、L2)和1 条NE 向测线(L3)，其中L1 线和Z01 线重叠15 km，目的是将2 条测线进行拼接。测线分别穿越了漳州市、龙岩市、泉州市、莆田市、三明市、福州市和宁德市共计7 个地级市，总长度为815 km。探测区表浅层地震地质条件复杂，地表植被茂密，障碍物复杂，地形起伏大，切割剧烈，探测区高程为14～1 694 m，相对高差最大超过600 m；大部分区域基岩裸露，岩浆岩出露区占比大，表层风化壳厚度从数米到十数米不等，低、降速带横向变化大。除志留纪−早中泥盆世地层缺失、中元古界与古近系未发现外，自古元古界至第四系均有出露，新近系和第四系厚度小，主要分布在沿海以及部分山间小盆地区域。前震旦系多为变质岩，古生界多为砂岩、泥岩以及碳酸盐岩等，分布范围不大。受多期次构造运动影响，大量的基性−酸性岩浆岩脉、岩体常侵入这些沉积岩中。至中生代，测区内发育大量的花岗岩，新生代在部分区域发育基性岩脉。厚层的沉积地层能够形成较好的地震反射波，而岩浆岩发育规模大而且深，物性差异小，和深部的元古代−太古代深变质杂岩及早古生代变质岩系都难以形成好的反射波。一般来说，深变质的变质杂岩体可以作为上覆沉积地层的基底，二者的接触面能够形成较好的反射波。另外，地下深部赋存的大型断裂构造的上下盘因构造拉伸、挤压等作用，易产生波阻抗差异，从而形成断面波，中深部地壳中也会出现较明显的地震反射体。总体上探测区地震地质条件复杂，不利于地震波激发和接收，野外数据采集难度大，较难获得高品质的原始地震资料。

2 数据采集参数及优化措施

基于漳州深地震反射探测成果，结合探测区地震地质条件特点，本次深地震反射探测重点将提高原始单炮信噪比作为采集参数优化目标。对信噪比提高贡献最大的无疑是激发能量，提高每炮的激发药量，增加大药量激发点的覆盖次数是首要方向；为了兼顾不同深度地层反射波的信噪比和分辨率，同时考虑采集成本最小化，需要对不同激发药量的炮点进行合理布置。其次，特别考虑了组合井在深地震反射探测中的作用，对组合井的间距进行了数值模拟分析，确保大炮激发能量达到最优。深部地层及莫霍面区域因为深度大，层位地震信息一般较难获得，一般只有更低频的信号能够穿透得更深更远，从而将反射信号传播回地表被检波器接收到。为了提高地震数据中深部反射层的信息，采用了更低频的主频5 Hz 的检波器。进一步增大最大炮检距，使最大炮检距超过探测区莫霍面深度，让更远偏移距及更深部的反射信息能够被采集到，提高下地壳及莫霍面区域的成像效果。

2.1 常规炮和大炮组合模式

福建大部分区域为山地地形，地形复杂，高程高差大，地表沉积物厚度以及物性差异大。为确保激发的地震波能够穿透地壳并返回被排列内的检波器接收到，采用大药量激发是优先考虑的参数。探测深度大时需要增大激发药量才能使目标深度处的反射波清晰成像，探测深度变浅时则需要降低激发药量，以确保目标层位的分辨率。因此，在进行深地震反射探测时，为了同时兼顾浅、中及深部反射波的分辨率和信噪比，采用不同激发药量组合布置的方式进行数据采集，特别是采用大、中、小炮组合激发，以及大井深、小道距、高覆盖次数的组合采集方式，能够压制干扰波，有效拓宽地震反射波的频带范围，并能够对地壳范围内浅、中、深部不同层次地壳结构进行高精度成像[26-27]。

深地震反射探测区地表条件复杂，“V”字形沟谷发育，激发点的布置受地形及障碍物的影响较大，如果设计的炮点距较小，大部分区域的炮点不能按照理论点进行布置，导致地震测线上覆盖次数极不均匀。另外，在复杂山区条件下，小药量激发的地震波能量衰减严重，不能很好地获得高信噪比的反射波，地震时间剖面成像精度较差，探测深度达不到预期。和漳州深地震反射探测相比，本次深地震反射探测在设计激发点时去掉了小炮，常规炮药量和中炮药量相同，炮间距由1.3 km 优化至600 m，另外将大炮炮点距由25 km优化至15 km，使一个接收排列内有5 个大炮，总体上提高浅、中、深部反射波的覆盖次数和信噪比。这种炮点布置方式使炮点在复杂山区条件下的分布更趋于均匀，获得的时间剖面覆盖次数也更均匀，同时加密了大药量激发点的密度，提高每炮的激发药量，增加了大炮的覆盖次数(图1)。大炮在深地震反射探测中起着重要作用，高信噪比的大炮单独叠加处理也能够获得较好的深部地层及莫霍面结构信息[28]。

图1 深地震反射探测观测系统示意Fig.1 Schematic diagram showing the observation system of deep seismic reflection surveys

对原始单炮进行了地形静校正处理后，获得的小炮原始单炮记录中在近炮点处可以看到小范围的莫霍面反射波，向远道区域处干扰波发育，主要反射波较难识别(图2a)；而常规炮和大炮的有效反射波信噪比高，波组连续性好，地壳深度范围内浅、中、深部波组结构分明，中−下地壳区域反射能量强(6～12 s 区域)，频带宽约46 Hz，低频信息丰富。大炮频谱分析图显示，浅部区域反射波频带范围在4～46 Hz，主频约为26 Hz；中深部区域反射波频带范围在4～40 Hz，主频范围约为21 Hz，深部区域主频约为12 Hz(图2b、图2c)。

图2 深地震反射原始单炮记录对比Fig.2 Comparison of original single-shot records of deep seismic reflections

总体上看，获得的常规炮和大炮原始记录品质高，常规炮初至受噪声干扰小，深部莫霍面反射波组特征清楚(11～12 s 区域)，分辨率高，横向可追踪的反射波组丰富；大炮浅、中、深部反射波信噪比更高，莫霍面反射在整个接收排列内都比较清晰。

2.2 组合井最佳间距

炸药震源是地震探测最佳的激发方式，它激发的地震波能量强、频率丰富。地震探测常用的震源药柱因性能稳定、爆速高以及使用方便等优点而得到广泛应用，当需要大药量激发时(大炮)，常采用组合井方式，把总激发药量分散埋置在数个间距不大的钻井中组合激发。对于组合井的布置方式，一般要求井口高度差限制在亚米级，井间距主要根据激发介质和激发环境的不同，以不造成浅层介质破碎为准，没有开展定量的数值分析。组合井的井间距和激发的药量有直接关系。炸药在钻井中爆炸产生高温高压气体及冲击波，在膨胀的过程中压缩周围介质向各个方向做功并产生地震波。根据反射法地震探测原理，地震波在向下方向的传播才能起到弹性反射的效果，因此，炸药在起爆后冲击波中只有垂直向下方做功的能量才是有效能量。采用组合井进行激发时，各激发点在水平方向上传播的冲击波会叠加，当井间距过小时冲击波会大量破碎周围岩层做机械功，降低了冲击波的整体做功能力；当井间距过大时，整体激发能量会过于分散，达不到聚焦激发的效果。因此，组合井的间距对炸药激发有效做功有着重要制约作用，合适的组合井间距才能发挥出炸药激发的最大能效。本次深地震反射探测研究中，通过漳州深地震反射实践经验以及现场试验确定了激发井深为30 m，该深度在山区部位大部分处于中风化花岗岩层中，单井激发药量确定为48 kg。采用ANSYS/LSDYNA 有限元分析软件进行双井组合爆破数值建模与分析[29-32]，算法采用Euler-Lagrange 流固耦合算法，岩石本构模型采用德国Ernst-Mach 研究所(EMI)提出的RHT 本构模型(表2)，炸药材料模型采用ANSYS/LSDYNA 常用的“MAT_HIGH_ EXPLOSIVE_ BURN”，JWL 装药参数见表3，分别对井间距为3、4、5 和6 m的爆破效能进行了数值分析。通过模拟分析，在井间距为3 m 时，两井之间围岩有贯通破碎现象；井间距为4 m 时，两井之间围岩在爆破后应力波叠加区有拉伸破坏现象；而当井间距为5～6 m 时，井间岩层没有出现贯通或破碎，大大减少了炸药激发所做的机械功。图3a 和图3b 分别为井间距5 m 爆破时0 ms 和24 ms的爆破模型图，图3c 和图3d 分别为井间距5 和6 m时的爆破模型压力时距曲线，模拟显示水平压应力约在24 ms 时达到峰值，垂直压应力约在20 ms 时达到峰值，因篇幅有限，本文不在此详细叙述模拟全部过程。爆破模拟压力时距曲线数值显示：井间距分别为5、6 m时，爆破垂直方向单元受到的最大压应力分别为1.140、0.908 MPa，水平方向单元受到的最大压应力分别为6.430、7.640 MPa，垂直压应力在井间距为5 m 时更大，因此确定井组合间距为5 m(图3)。

图3 组合井爆破模型及压力时距曲线Fig.3 Combined borehole blasting models and pressure-time curves

表2 围岩岩石力学参数Table 2 Rock mechanical parameters of surrounding rocks

表3 炸药参数Table 3 Parameters of explosive

2.3 降低检波器主频

检波器是地震数据采集中的一个重要因素，合理选择检波器类型能够提高地震资料的信噪比和分辨率。深地震反射探测深度大、反射波频率低，因此，常使用主频较低的检波器(10～13 Hz)进行数据采集[33]。检波器的主频以下为检波器的压制区，处于压制区内成分的能量将受到压制。检波器主频越低，压制范围越小，接收到的反射波更丰富，频率域更宽，且会保留更多的低频域成分，因此，能够对深部反射层进行更好的成像。近年来，低频节点式地震仪以其频带范围宽和在复杂山区布设方便的优势，广泛应用于地震数据采集[34-37]，在深地震反射探测中能够获得频率更低的反射数据，从而提高中下地壳、莫霍面等深层反射界面的成像精度。漳州深地震反射探测采用10 Hz 主频节点式地震仪，本次深地震反射探测采用主频为5 Hz 的节点式地震仪进行数据采集，从2 次测线重叠区域的原始单炮频谱对比图(图4)中可以看出：在同一区域单炮记录上两者浅、中、深部的反射波特征总体一致，但是5 Hz检波器获得的原始单炮记录中反射波频带更宽，在6～12 s 的中深部反射层信噪比更高。由此可以看出，检波器主频降低至5 Hz 时获得的地震资料效果更好。

图4 不同主频检波器原始单炮记录对比Fig.4 Comparison of original single-shot records of geophones with different dominant frequencies

2.4 增大炮检距

接收道数是重要的地震数据采集参数，在道距保持不变的情况下，增加接收道数能够获得更深部区域的反射层信息，更大的炮检距能够提高深层资料的信噪比[38-39]。深地震反射数据处理实践表明，采用大偏移距时纵波穿透深度更深，对近地表速度结构的反演更准确，由此可以提高数据处理效果和时间剖面质量[40]。另外，炮检距与动校拉伸、速度分析精度以及噪声和多次波压制有密切关系，也是确定最大炮检距的重要因素。因此，在进行深地震反射探测时，较大的炮检距是优先选择。一般情况下，最大炮检距尽量与主要目的层深度相当，这样可以保证入射角度范围达到更合适的宽度。地震勘探实践经验表明，大的接收排列长度对深部资料获取更有利[41]。

本次深地震反射探测采用道间距30 m、2 400 道中间激发对称接收，最大炮检距为36 km，根据已知地震地质资料，排列长度大于区域莫霍面深度(30～33 km)，满足以上分析要求。为了分析该区炮检距对中深部地震资料的影响，对近、中、远炮检距道集进行了分段叠加，处理得到了3 种不同炮检距的叠加剖面段，图5为3 种不同炮检距(距激发点200～300 道、600～700 道和1 000～1 100 道)的部分叠加剖面。从获得的地震时间剖面来看，从近道向远道整体反射波振幅有逐渐变小趋势。浅部区域(小于5 s)反射波在200～300 道时信噪比较高，远道600～700 道以及1 000～1 100 道区域处信噪比降低明显，而中深部区域(6～11 s)由近及远信噪比变化相对较小。在1 000～1 100 道区域处(图5c)，由于浅部区域反射波振幅的明显下降而凸显出中深部区域反射波分辨率更高。由此可以看出，1 000～1 100道区域可以获得信噪比较高的中深部反射波，从而能够对整体地震时间剖面高精度成像起到积极作用，增大炮检距的效果明显。

图5 炮检距分段处理叠加时间剖面图Fig.5 Seismic time-stacked sections from the segmented processing of offset

对最大炮检距分别为36 km 和18 km 的道集进行全地震数据叠加处理(图6)。由图6 看出，最大炮检距为36 km 时的叠加剖面信噪比更高(2～11 s，图6a)；对于莫霍面形态，2 种叠加剖面则显示的特征一致。在处理工作站上对2 种剖面3～11 s 区域的信噪比比值进行了提取，将比值进行了曲线拟合(图6c)，总体数值显示，2 种炮检距的叠加剖面信噪比都大于2，最大比值接近5，36 km 偏移距的信噪比值在大部分区域略高，在矩形对比区域差异更大。