陳明春, 劉振東, 呂慶田, 楊文平, 嚴加永, 趙金花
1 中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所,國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 1000372 中國地質(zhì)科學院地球深部探測中心, 北京 1000373 中石化地球物理有限公司云南分公司, 昆明 6502334 中石化地球物理有限公司河南分公司, 河南南陽 473132
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結晶巖地區(qū)深地震數(shù)據(jù)采集關鍵技術與方法
陳明春1,3, 劉振東1,2*, 呂慶田1,2, 楊文平4, 嚴加永1,2, 趙金花1,2
1 中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所,國土資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 1000372 中國地質(zhì)科學院地球深部探測中心, 北京 1000373 中石化地球物理有限公司云南分公司, 昆明 6502334 中石化地球物理有限公司河南分公司, 河南南陽 473132
深反射地震是了解深部地質(zhì)結構的主要手段,獲取高品質(zhì)的數(shù)據(jù)是給出合理地質(zhì)解釋的基礎.在結晶巖地區(qū),由于地層成層性差、非均質(zhì)性嚴重,地震散射效應明顯,導致地震波場復雜,同時結晶巖為非理想彈性體,不利于地震波能量轉(zhuǎn)換,有效反射能量弱,信噪比低.加之深反射地震的目標層較深且受環(huán)境噪聲干擾嚴重,高頻信號衰減快,地震資料主頻較低.這些因素使得在結晶巖區(qū)難以獲得高品質(zhì)的地震資料,為探索提高該類地區(qū)深反射地震資料質(zhì)量的方法和技術,本文依托長江中下游成礦帶2009—2014年深反射地震數(shù)據(jù)采集工作,在精細設計、嚴格施工的基礎上,從激發(fā)和接收入手,開展了“軸向不耦合激發(fā)”、“寬頻接收”和“寬線觀測”等技術方法試驗研究.結果表明,這些方法技術措施提高了下傳彈性波能量,展寬了接收地震信號的頻帶,提高了覆蓋次數(shù)和信噪比,有效改善了地震原始資料的品質(zhì)和成像效果.研究結果對今后結晶巖地區(qū)深地震反射數(shù)據(jù)采集工作具有重要的實用價值和參考意義.
結晶巖; 深地震反射; 采集; 長江中下游成礦帶; 激發(fā); 接收
在成礦帶深部構造和深部過程的研究中,深地震反射剖面探測技術扮演著其他地球物理方法所不可替代的角色(Milkereit et al., 1992).近年來,隨著反射地震技術的巨大進步及對成礦系統(tǒng)研究的深入,反射地震技術已廣泛應用在成礦背景探測、金屬礦勘查與評價中,金屬礦集區(qū)(多為硬巖區(qū)或結晶巖區(qū)) 反射地震研究取得了重大進展(Salisbury et al.,1996;呂慶田等,2004,2005,2011).但在結晶巖出露地區(qū),受地表復雜的地震地質(zhì)條件影響,反射地震資料信噪比低,野外采集中面臨著許多技術問題(Eaton et al.,2003;呂慶田等,2010;Malehmir et al.,2012),制約了后續(xù)相關研究的進展.主要表現(xiàn)為:(1)近地表結構復雜,結晶巖地區(qū)常存在于地形起伏變化較大的造山帶,地表出露巖性多變,特別是表層出露高速巖石不利于激發(fā),導致原始地震資料能量弱、噪聲大、各種干擾嚴重,信噪比低.(2)地質(zhì)構造復雜,結晶巖地區(qū)往往經(jīng)歷過強烈的巖漿活動和構造運動,巖漿侵入現(xiàn)象普遍,成層性差,對地震波屏蔽作用明顯,礦體(不規(guī)則地質(zhì)體)散射嚴重,下伏地層反射信息獲取困難.(3)地震成像困難,由于結晶巖地區(qū)復雜的地表和地下地質(zhì)條件,地震波場復雜,且地震資料品質(zhì)非一致性引起的靜校正問題突出.(4)探測目標淺、中、深層兼顧,由于研究需要,深反射地震通常兼顧淺、中、深層地質(zhì)構造信息,采集方法技術設計困難.
反射地震技術在石油勘探領域應用雖然比較成熟,但與金屬礦集區(qū)同樣面臨復雜地表地震勘探的困難.盡管國內(nèi)外針對復雜地表地區(qū)進行了大量地震勘探理論、方法、技術研究和實踐,包括野外采集、資料處理和解釋環(huán)節(jié),但在硬巖地區(qū)地震采集仍有許多世界級難題需要解決.長江中下游地區(qū)廣泛發(fā)育巖漿巖、火山巖和石灰?guī)r,大范圍結晶巖出露地表,此類地區(qū)的地震野外采集都有共同的難點.近些年,呂慶田、董樹文、高銳等以礦集區(qū)和深部地殼探測為主要目標,在多個硬巖地區(qū)開展了大量的實驗和研究工作,取得了豐碩的成果(呂慶田等,2005,2007,2010,2014b;Lü et al.,2013,2015a,2015b;Liu et al.,2012).但由于深部探測和礦集區(qū)探測的特殊性(董樹文等,2010;呂慶田等,2011;Malehmir et al.,2012),應用于石油勘探的地震技術并不能完全照搬,在野外數(shù)據(jù)采集上需要有創(chuàng)新、改進和發(fā)展.作者所在的研究團隊近幾年在長江中下游成礦帶開展了針對深部和礦集區(qū)目標的反射地震探測工作,為提高采集質(zhì)量和效果,同期開展了野外硬巖出露區(qū)地震采集方法技術研究試驗,在精細設計和嚴格施工的基礎上,提出了“軸向墊層不耦合激發(fā)”、“寬頻接收”和“寬線觀測”采集方法等,取得了較為明顯的采集效果,提高了原始采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量.本文對這幾年所做的野外試驗工作和取得的經(jīng)驗成果進行總結.
研究區(qū)域位于長江中下游地區(qū),著名的長江中下游成礦帶位于其中,構造上處于華北板塊、揚子板塊和華夏塊體的結合帶.是我國東部重要的Cu、Fe、Au多金屬礦產(chǎn)資源基地.為探測該區(qū)深部動力學過程及成礦條件,呂慶田等(2004,2005)、董樹文(2010)、高銳(2010)等在此區(qū)域開展了地震反射探測研究,獲取了區(qū)內(nèi)幾個火山巖盆地和礦集區(qū)的深部資料.
2009年,在“深部探測技術與實驗研究”(SinoProbe)專項和中國地質(zhì)調(diào)查局“三維地質(zhì)調(diào)查試點”項目的支持下,深部探測研究團隊在長江中下游成礦帶的廬樅、寧蕪、銅陵、貴池四個礦集區(qū)以及三個地質(zhì)廊帶進行了深地震反射探測工作(圖1).
為了提高反射地震資料品質(zhì),在長江中下游地區(qū)開展了多期次的針對激發(fā)(包含不同地區(qū)巖性的激發(fā)井深、激發(fā)藥量、激發(fā)藥型等試驗)、接收(包含檢波器組合方式、檢波器類型等試驗)和觀測系統(tǒng)(包含接收道距、寬線等試驗)技術和方法研究試驗工作,共完成20個點試驗和2個試驗段,取得了預期效果,采集到的原始資料品質(zhì)得到較大提高,處理后剖面淺部和深部地殼結構成像清楚(劉振東等,2012;Lü et al.,2013,2015a,2015b).大量的激發(fā)試驗表明,在火山巖區(qū)、花崗巖區(qū)和灰?guī)r區(qū)以較大藥量、深井激發(fā)為主;第四系膠泥區(qū)以試驗井深(潛水面下)和較小藥量激發(fā)為主,井深12~18 m、藥量6~12 kg;為獲得礦集區(qū)5~10 km深度高分辨率反射地震資料,硬巖區(qū)井深16~28 m、藥量12~18 kg;在地殼尺度的深反射地震中,結晶巖和石灰?guī)r區(qū)激發(fā)井深24~30 m、藥量20~30 kg.此外,在野外工作中采用軸向激發(fā)巖性優(yōu)選、水泥悶井、硬質(zhì)地面鉆孔埋置檢波器、水田區(qū)水桶壓實埋置檢波器等方法,提高了采集地震資料的質(zhì)量.
圖1 長江中下游區(qū)域地質(zhì)圖和深地震反射剖面部署位置示意圖
地震的激發(fā)和接收是影響地震資料品質(zhì)的重要因素.在近幾年的地震反射采集項目中,在激發(fā)技術、新型檢波器應用和觀測方式上進行了積極探索,取得了較好的效果.試驗了“軸向不耦合激發(fā)”技術,增加了地震波下傳能量;采用新型檢波器進行“寬頻接收”,提高了地震資料分辨率;采用“寬線觀測”采集方法,在有限成本下提高了有效覆蓋次數(shù).這些方法技術,明顯改善了結晶巖區(qū)低信噪比地震資料的成像效果.
3.1 激發(fā)技術試驗
(1)飽和藥量
結晶巖、石灰?guī)r等硬巖具有速度高、密度大和成層性差的特點,與沉積巖、圍巖形成了強波阻抗差界面,對地震波具有強烈的屏蔽作用.常規(guī)激發(fā)方法難以有效穿透結晶巖,導致下伏地層反射信號能量弱,影響了目標層的成像效果.
硬巖勘探中,影響炸藥震源激發(fā)的因素包括炸藥類型、裝藥量、裝藥結構和激發(fā)條件等.如果不考慮成本,增加藥量是增加激發(fā)能量的最有效手段,采用大藥量激發(fā)不但增加作用力,也增加了爆炸的作用時間.但對單井來說,對于某種炸藥和巖石,當藥量增加到一定程度之后存在一個“飽和藥量”,當超過此藥量后,接收到的反射能量增加不明顯,而干擾則增強(楊貴祥,2005;楊勤勇等,2009).這是因為藥量過大時,爆炸產(chǎn)生沖擊波對巖壁的壓力超過了巖石的抗壓強度,造成巖石破碎,爆炸的大部分能量消耗在破碎帶內(nèi), 真正轉(zhuǎn)化成彈性波向地下傳播的能量相對減小(于亞倫,2004;劉國霖,2009;姜鵬飛等,2009).
在長江中下游結晶巖區(qū)(圖1試驗點)做了藥量激發(fā)試驗,固定18 m井深,分別用4、8、14、30 kg藥量進行了激發(fā),采用固定增益顯示,圖2中可以看出,4、8 kg藥量激發(fā)能量弱,面波強,信噪比低,14、30 kg藥量激發(fā)能量基本相當,排列的最遠端能量充足.從14 kg到30 kg,隨著藥量的增加,反射能量增加幅度不明顯.表明當藥量增加到一定程度達飽和狀態(tài)時,再增加藥量并未明顯增加彈性波能量,與前述認識結果一致.
上述問題可以通過多井組合來增大藥量,提高有效激發(fā)能量從而提高下傳彈性波的能量,但會大大增加施工成本.
(2)軸向不耦合墊層激發(fā)技術
為提高單井炸藥震源的有效下傳能量,有必要探索一種經(jīng)濟有效的激發(fā)方法,從而改進激發(fā)方式以提高有效激發(fā)能量,其中延長震源的作用時間顯得更為關鍵.
炸藥與井孔圍巖存在兩種耦合,即阻抗耦合和幾何耦合,阻抗耦合是指炸藥阻抗(密度與爆速乘積)與圍巖阻抗(圍巖密度與波速乘積)之比,幾何耦合是指藥柱與井孔之比,又包括徑向耦合和軸向耦合兩種形式.通常情況下,爆炸震源均采用多節(jié)藥柱井中觸底式封閉爆炸,由于藥柱外徑小于炮井的內(nèi)徑,因此藥柱與井壁之間常常有空氣、水或泥漿填充,這種狀態(tài)稱為徑向不耦合狀態(tài),而藥柱與井底常呈直接緊密接觸,稱為軸向耦合狀態(tài).
圖2 不同藥量原始單炮記錄,統(tǒng)一固定增益顯示
Nieholls(1962)研究認為藥柱與圍巖在阻抗耦合和幾何耦合時產(chǎn)生的能量最大.張奇和王廷武(1989)認為巖石與炸藥波阻抗越匹配,爆炸能量利用率越高.因此,通過測試,在結晶巖區(qū)根據(jù)不同巖性及波阻抗,選擇合理的高爆速(4000~6000 m·s-1)和高密度炸藥.
根據(jù)國內(nèi)外對巖土介質(zhì)在爆炸沖擊下動力學性能的實驗和研究認為,爆炸壓力波(沖擊波)對炮井周圍巖土加載速度和載荷連續(xù)作用的時間會改變巖體力學性能(于亞倫,2004),如:巖體內(nèi)應力的峰值隨加載速度的增大而增大;巖體的應變量隨加載速度的降低(載荷連續(xù)作用的時間延長)而增大.這些動態(tài)條件下巖體力學性能的改變表明,當加載速度增大時,巖體內(nèi)應力的峰值有可能大于巖體原來的抗壓強度,這樣會擴大炮井周圍的破碎區(qū)和破裂區(qū),因而會浪費大量的能量;而降低加載速度,延緩載荷連續(xù)作用的時間會增大巖體的應變量,這樣一方面可以減少能量的損失,另一方面通過增大巖體的變形量可以提高炸藥作有效功的能力(鐘明壽等,2011).
近年來的有關研究(楊貴祥,2005;宗琦和孟德君,2003;宗琦等,2005;姜鵬飛等,2009;楊勤勇等,2009;鐘明壽等,2011)表明,選擇合適的炸藥與井壁不耦合狀態(tài)可以提高激發(fā)能量、增加炸藥爆炸的作用時間,可以達到改善地震激發(fā)效果的目的.這與前述研究結果一致.
但目前有關幾何耦合的研究大多集中在徑向不耦合裝藥方面,而開展軸向不耦合裝藥激發(fā)的研究相對很少.宗琦等(2005)、錢立坤等(2011)曾開展過水和空氣墊層的理論模擬研究工作應用于工程爆破,認為墊層的作用增長了底部沖擊波的作用時間,改善了爆炸能量做功的效果.我們研究分析認為,由于地震勘探需要的是彈性波而非周圍巖石的破碎,爆炸能量轉(zhuǎn)換彈性波是向下傳播的,因此軸向不耦合裝藥激發(fā)在結晶巖區(qū)可能更為重要,為此開展了“軸向不耦合”裝藥研究并進行了激發(fā)試驗.
根據(jù)沖量和動量定理,一個質(zhì)點在外力的作用下,其動量發(fā)生變化,動量的瞬時變化率即該時刻物體所受的外力,根據(jù)爆炸動力學中動量守恒定理可知,在結晶巖石中,作用于該介質(zhì)上的沖量I等于介質(zhì)受到擾動后的動量變化,即(于亞倫,2004):
=(x-x1)·A·(ρ0+dρ)(u-o),
(1)
式中u為擾動的速度,o為擾動初始速度等于零,p0為初始(在x1位置)的壓強,(p0+dp)為擾動后(在x位置)的壓強,A為擾動介質(zhì)的截面積,(x-x1)和Δt分別表示擾動傳播的距離和所用的時間,ρ0為介質(zhì)的初始密度,dρ為密度變化量.
從式(1)不難看出,如果我們設法降低沖擊波加載的速度,增加連續(xù)作用的時間Δt,必然會增加沖量I,而沖量的本質(zhì)是一種作用在介質(zhì)上的力.在介質(zhì)的彈性范圍內(nèi),力F的緩慢增加會使介質(zhì)的變形量增大,這樣便提高了炸藥作有效功的能力.假設功為W,彈性介質(zhì)的彈性系數(shù)為K,對壓縮波(一維縱波)而言,其變形量為x,則
(2)
從式(2)不難看出,x增大時,W會增大,這樣便會大大增加向下傳的能量.
由于我們接收的是縱波,因此在藥柱的軸向上進行墊層,使其變?yōu)椴获詈霞ぐl(fā).其墊層的材料和長度要選擇得合理,材料選擇砂巖等阻抗匹配、有利于彈性轉(zhuǎn)換的細碎巖石或人工材料,這樣會使爆炸能量更均勻分布,減少破壞作用和爆炸噪聲.野外試驗選擇三疊系灰?guī)r區(qū)做軸向墊層不耦合緩沖激發(fā)試驗.緩沖材料墊層長度為30、45、60 cm與正常不加緩沖材料,激發(fā)井深20 m,藥量10 kg,均采用泥漿悶井.
圖3顯示正常裝藥激發(fā)與墊層緩沖激發(fā)的效果對比.為便于對比能量關系和信噪比情況,圖中采用相同固定增益顯示.可以看出,單炮均呈現(xiàn)硬巖地區(qū)低信噪比資料特征,正常激發(fā)的炮面波稍強、信噪比稍低;緩沖材料墊層激發(fā)比正常激發(fā)炮能量強,45 cm長度墊層比30 cm和60 cm墊層激發(fā)能量要強,2~3 s間見到同相軸較強的有效反射層.說明在硬巖中采用緩沖墊層激發(fā),改變了藥柱和井孔巖石的耦合條件,對地震波能量下傳取得積極的改善作用.
上述試驗說明,炸藥與井底不耦合狀態(tài)下,爆炸沖擊力強、作用時間更長,爆炸能量有利于轉(zhuǎn)換為彈性波能量下傳.
圖3 正常激發(fā)與軸向墊層不耦合裝藥激發(fā)單炮對比,固定增益顯示
我們在野外的幾期試驗證明,悶井介質(zhì)對激發(fā)有較大的貢獻.采用潮濕含水泥土、稠泥悶井、灌水悶井激發(fā)的單炮資料能量強,在鉆井過程中還發(fā)現(xiàn),工區(qū)內(nèi)山地硬巖成井后,井內(nèi)可積水幾米至十幾米,水的存在極大地改善了激發(fā)條件,激發(fā)單炮資料較好,因此得到經(jīng)驗,成井后三天再下藥及悶井,可收到較好效果.以上說明含水飽和度的增加改善了藥柱與井壁巖石的耦合關系,合適的徑向充填介質(zhì)有利于爆炸能量轉(zhuǎn)化為彈性波能量.
(3)激發(fā)巖性
炮孔位置的巖性與激發(fā)效果有關,不同的井深可能使藥柱頂端位于不同的巖性段內(nèi).為了研究藥柱頂端位于井孔內(nèi)不同巖性處爆炸的地震波響應情況,我們在野外試驗選擇了一個合適的點位,對比了藥柱在不同巖性中的激發(fā)效果,以確定在地表存在幾種巖性薄層情況下選擇最佳的激發(fā)巖性位置,換句話說,即打多深的孔裝藥才能使爆炸位置位于有利的巖性段,而不是簡單地采取鉆深孔激發(fā),此種情況下激發(fā)巖性的選擇更為重要.
選擇試驗點的出露巖性為泥巖,其下伏地層為石灰?guī)r.巖性錄井0~3 m表土、3~15 m泥巖,15 m以深為灰?guī)r.激發(fā)井深依次為12、15、17、20 m,均用藥量10 kg.分別對應激發(fā)位置的巖性為泥巖、泥巖(泥巖-灰?guī)r界面之上)、泥巖-灰?guī)r交界處(藥柱1/2在泥巖、1/2在灰?guī)r)、灰?guī)r.
圖4為不同井深對應不同巖性激發(fā)的炮集固定增益顯示,可以看出,4個試驗炮相同偏移距段淺層能量差異不大,其中12、17 m井深激發(fā)炮集面波較重,15、20 m炮面波稍弱,信噪比相對較高.排列遠端深部(2~2.5 s),12、17 m井深的信號弱,15、20 m井深分別對應于灰?guī)r頂泥巖中激發(fā)和灰?guī)r中激發(fā)的炮,能夠看到有效的反射信息,說明12 m井深激發(fā)深度太淺,波的橫向傳播使得向深部傳播的能量減少(圖4a、4b中的紅箭頭所指處初至能量較圖4c、4d中的相同偏移距位置能量強,說明了波的能量在淺部向橫向傳播多),后兩者向下傳播的能量強.圖5是對15 m井深泥巖中激發(fā)和20 m井深灰?guī)r中激發(fā)單炮數(shù)據(jù)經(jīng)球面振幅補償后的對比分析,15 m井深激發(fā)炮(圖5b)在排列小號端1~1.5 s、排列大號端1.5~2.5 s均能見到連續(xù)性較好的反射同相軸(紅框內(nèi));20 m井深激發(fā)炮(圖5a)頻率較高,反射信息不明顯,說明在灰?guī)r高速高密度介質(zhì)中激發(fā)產(chǎn)生的地震波頻率高,高頻成分在傳播過程中很快被吸收衰減,從而導致下傳能量不足,信噪比較低.17 m井深藥柱部分在泥巖、部分在灰?guī)r中激發(fā),無論有效能量還是信噪比都較低(圖4b),說明炸藥在兩種巖性不同的介質(zhì)中激發(fā)是不可取的.
圖4 同一炮點位置不同井深對應不同巖性原始單炮記錄,固定增益顯示
圖5 同一炮點位置不同深度巖性層位(泥砂巖,灰?guī)r)中激發(fā)單炮經(jīng)球面振幅補償后相同增益
以上結果說明,在泥砂巖(或其他巖性)和石灰?guī)r互層存在的情況下,通過鉆孔過程中的巖屑觀察,及時調(diào)整井孔深度方案,選擇在界面以上的泥砂巖單一巖性中激發(fā),不能為追求深井而在石灰?guī)r(結晶巖)中激發(fā)或跨泥巖石灰?guī)r界面激發(fā).
3.2 寬頻接收技術
(3)
幅頻特性:
(4)
相頻特性:
(5)
其中:X0(ω)為輸出量的傅氏變換;A(ω)為振動加速度(輸入量)的傅氏變換;ζ為臨界阻尼比(4%);ω0為固有頻率.
如圖6,壓電加速度檢波器線性工作頻段可在5~300 Hz,相頻特性在5~1000 Hz內(nèi)基本為零相位;動圈線性工作頻段在17~200 Hz,相頻特性在全頻段為非線性,存在一定的位移.因為一個振動系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波失真主要是由系統(tǒng)中的彈性器件(彈簧)的非線性產(chǎn)生的波形畸變形成的,而系統(tǒng)中阻尼元件的非線性,也會產(chǎn)生波形畸變.因此,性能良好的壓電加速度檢波器(表1)在“高精度、高分辨率勘探”更具優(yōu)勢(Liu et al.,2012).
表1 壓電加速度檢波器與動圈速度檢波器的性能比較Table 1 Performance comparison of piezoelectric acceleration geophone and moving-coil velocity geophone
用上述的壓電檢波器和常規(guī)動圈檢波器進行了實際數(shù)據(jù)同步采集對比試驗,對所獲得地震資料進行相同參數(shù)和流程處理后,得到了兩種檢波器的疊加剖面,見圖7.
對兩種剖面的能量關系、主頻和信噪比定性分析,加速度檢波器疊加剖面(圖7b)在信噪比和視分辨率上較速度檢波器疊加剖面(圖7a)優(yōu)勢明顯,特別是CDP1000~1165、TWT800 ms以上.剖面0~2000 ms,加速度檢波器疊加剖面的地震反射層間信息更豐富、視主頻較高、頻帶較寬,更有利于揭示礦集區(qū)內(nèi)地層結構關系和陡傾角地層成像.其頻譜分析也顯示壓電加速度檢波器在地震信號有效頻帶內(nèi)能量衰減慢,對高頻響應好.試驗結果表明,鑒于目前可開采的礦體主要賦存于2 km以淺范圍,在礦集區(qū)內(nèi)采用寬頻接收擴寬優(yōu)勢頻帶,有利于提高地震資料保真度和分辨率、改善地震成像效果,更有利于結晶巖區(qū)的金屬礦勘探.
3.3 高密度寬線觀測采集技術
結晶巖覆蓋區(qū)地層傾角大、斷裂多,各種散射發(fā)育,加之侵入巖體的屏蔽作用影響,下伏地層反射信號較弱,地震資料呈現(xiàn)典型低信噪比特征.除了通過激發(fā)、接收方法技術和工藝的改進,仍需增加覆蓋次數(shù)進一步提高地震剖面信噪比.在廬樅和銅陵礦集區(qū)試驗采集了寬線地震剖面,采用平行的雙線接收,覆蓋次數(shù)由90次增加到180次,取得了較好的效果.試驗采集方法為:觀測系統(tǒng)2L1S720R (2線1炮720道,180次覆蓋)、道距20 m、接收線距40 m、炮點距80 m.對所獲得的地震資料采用相同的流程和參數(shù)分別進行了單線和寬線處理,疊加剖面見圖8.
對圖8兩個疊加剖面的信噪比定性分析,與單線疊加相比,寬線疊加優(yōu)勢明顯,反射同相軸連續(xù)性更好,層間反射信息更豐富.這是由于寬線觀測增加了有效覆蓋次數(shù),同時相當于擴大了面元,從而提高了信噪比.在CDP200~300段,地表為結晶巖,下伏地層反射疊加效果改善明顯.
對寬線采集數(shù)據(jù)進行了簡單退化處理(即等間距抽取炮改變覆蓋次數(shù)進行處理,見表2),形成不同覆蓋次數(shù)的疊加剖面,如圖9.可以看出,反射信息隨著覆蓋次數(shù)的增加而逐漸豐富,信噪比也隨之增加,30~120次覆蓋疊加信噪比依次明顯提高,120次和180次覆蓋剖面面貌基本相當.
表2 觀測系統(tǒng)退化處理參數(shù)表
上述結果表明,在結晶巖地區(qū)通過增加接收線來增加覆蓋次數(shù),從而提高疊加剖面反射波能量和信噪比是可行的,且相對于增加炮數(shù),增加接收線實施多線接收是經(jīng)濟有效的選擇.
圖6 兩種檢波器的(a)幅頻曲線和(b)相頻曲線(藍色為壓電檢波器,綠色為動圈檢波器)
圖7 兩種檢波器采集數(shù)據(jù)的疊加剖面和頻譜(Liu et al.,2012)
圖8 不同觀測系統(tǒng)的疊加剖面(局部)
圖9 不同覆蓋次數(shù)疊加剖面(局部)
圖11 廬樅礦集區(qū)火山巖區(qū)深地震反射單炮記錄
圖12 處理后的廬樅礦集區(qū)Lz09-05偏移剖面(紅色+號為巖體)
在以上結晶巖區(qū)關鍵激發(fā)技術研究試驗的基礎上,結合逐點井深設計、接收試驗和基于地質(zhì)目標的觀測系統(tǒng)優(yōu)化設計,進行了多個典型礦集區(qū)和地質(zhì)廊帶深地震反射數(shù)據(jù)的采集,取得了較高質(zhì)量的原始資料和較好的剖面地質(zhì)效果.下面從單炮和處理剖面說明采集效果.
4.1 采集單炮效果
圖10為寧蕪礦集區(qū)結晶巖區(qū)深地震反射采集的單炮記錄,采用井深28 m、藥量24 kg,軸向墊層裝藥,粘土悶井,放置約10天后激發(fā),觀測系統(tǒng)14400-40-0-40-14400-40 m.部分地段工業(yè)干擾較大.近炮檢距面波強.總體上看,整張記錄面貌較好,反射波組較豐富,能量較強,信噪比較高.從初至上看,遠偏移距段能量依然較強,最遠偏移距端(約14.5 km)初至清楚;深部12 s上下可以看到較強Moho反射能量.說明震源下傳能量足夠強,激發(fā)措施得當.
圖11顯示的是廬縱礦集區(qū)火山巖出露區(qū)的單炮記錄,采用井深18 m、藥量14 kg,粘土悶井,放置約6天后激發(fā),觀測系統(tǒng)7190-10-0-10-7190-20 m.圖中可以看出,原始單炮存在靜校正問題,初至能量較強,單炮視頻率較高,隨機干擾和高頻噪聲發(fā)育.0.5 s以上、1 s附近均見到淺層有效反射,2.5、3.5、6.2 s上下見到多組有效反射.4.5、7.0 s附近中、下地殼反射波組明顯,9.5~10.5 s處出現(xiàn)較強來自Moho面的反射波組.3~4 s附近無明顯反射同相軸,疑為上中地殼的空白反射區(qū).
4.2 剖面效果
對采集的地震數(shù)據(jù)進行了處理,主要處理步驟包括:層析靜校正、振幅補償、多域噪聲衰減、反褶積、速度分析、剩余靜校、疊加,疊前時間偏移速度分析和疊前時間偏移,并對地表起伏、工業(yè)噪聲、深部速度求取等影響因素進行了針對性處理.詳細的處理流程和參數(shù)見Lü等(2013).
處理得到的地震剖面反射信息豐富、信噪比較高,地殼結構較為清晰(圖12).剖面中可以看到,上、中、下地殼反射波豐富,Moho反射波組在10 s上下,特征明顯,A處沉積盆地反射特征明顯,信噪比高,U和V處火山巖呈透明(雜亂)反射,C、E、F、G處殼內(nèi)伸展、擠壓、構造變形等特征清楚,弧形和穹隆反射特征明顯,殼內(nèi)多處呈現(xiàn)透明反射區(qū).H、I等疑似巖漿房反射突出(呂慶田等,2014b;Lü et al.,2015a,2015b).這些清晰圖像為地質(zhì)解釋研究提供詳實資料,為進一步研究斷裂帶、深部構造變形、地殼結構、殼內(nèi)巖漿活動和揭示深部過程提供可靠證據(jù).
在長江中下游地區(qū)進行地震采集困難重重,包括人為的、天然的、經(jīng)費原因、方法技術原因等.最近幾年,項目組克服困難,在不斷探索研究試驗中完成了長江中下游成礦帶區(qū)域的如圖1所示的十幾條深地震反射測線,正是在這些野外采集技術支撐下得到了高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù),處理后得到了可靠的成像剖面,為地質(zhì)解釋提供了清晰圖像.通過對這些剖面的系統(tǒng)研究,已經(jīng)有了或正在有一些重要進展和發(fā)現(xiàn)(Lü et al., 2013,2015a,2015b;呂慶田等,2011,2014a,2014b),并發(fā)表在國內(nèi)外專業(yè)期刊,還有更多的研究在進行.通過在長江中下游地區(qū)大量的采集技術方法研究和攻關試驗,總結形成了一套適合結晶巖礦集區(qū)復雜地表、對改善結晶巖區(qū)地震數(shù)據(jù)品質(zhì)起到關鍵作用的野外采集技術方法,除了常規(guī)地震采集技術以外,將取得采集效果、提高資料質(zhì)量的主要關鍵技術和方法歸納如下:
(1) 研究試驗了適合硬巖地表的“軸向墊層不耦合激發(fā)”和徑向泥漿填井封井技術,有效改善了炸藥與圍巖的耦合關系,增加了激發(fā)能量的下傳,提高了單孔炸藥爆炸能量的利用率.
(2) 采用高靈敏度檢波器“寬頻接收”,保護了結晶巖反射波信號的高頻成分,使接收信號的頻帶更寬,保真度更高,等于從數(shù)據(jù)的源頭上提高了地震資料的信噪比和分辨率.
(3) 復雜地表地區(qū),高覆蓋次數(shù)可有效提高地震資料信噪比,采用“寬線觀測”的采集方法在有限增加野外成本的基礎上提高了覆蓋次數(shù),疊加處理后明顯提高了資料的信噪比,改善了成像質(zhì)量.
結晶巖地區(qū)除了復雜的地震地質(zhì)條件等客觀原因和技術原因外,人文因素、工業(yè)干擾、HSE限制和工程投資也是影響資料采集結果不可忽視的因素.
致謝 感謝中石化地球物理有限公司云南分公司257、258地震隊、河南分公司2236地震隊和工程技術人員付出的辛勤工作,感謝吉林大學董世學教授在野外采集技術中給予的指導和幫助,感謝董樹文研究員、高銳研究員、史大年研究員、于晟研究員、王椿鏞研究員、黃宗理研究員在野外工作中給予的支持和質(zhì)量把關!感謝審稿專家提出的修改意見!
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(本文編輯 何燕)
Key techniques and method for deep seismic data acquisition in hard-rock environment
CHEN Ming-Chun1,3, LIU Zhen-Dong1,2*, Lü Qing-Tian1,2, YANG Wen-Ping4, YAN Jia-Yong1,2, ZHAO Jin-Hua1,2
1InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,Beijing100037,China2ChinaDeepExplorationCenter—SinoProbeCenter,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China3SINOPECGeophysicalCorporationYunnanBranch,Kunming650233,China4SINOPECGeophysicalCorporationHenanBranch,HenanNanyang473132,China
Deep reflection seismic survey is the main method to explore the deep geological structure, in which the high quality data is the basis of reasonable geological interpretation. Due to very irregular and heterogeneous strata in hard-rock environment, the seismic scattering effect is obvious, leading to complexity of the seismic wave field. On the other hand, as non-ideal elastic media, hard-rock rigidity is not conducive to elastic wave energy conversion, so explosive energy is too limited to transfer to elastic waves. Low frequency characteristics of seismic data associated with the deeper exploration target can be seriously disturbed by environmental noise, resulting in low signal-to-noise ratio in hard-rock environment. Based on the seismic reflection data acquisition in the middle and lower reaches of the Yangtze River metallogenic belt from 2009 to 2014, this work focused on how to improve seismic raw data quality and signal-to-noise ratio with fine design and careful implementation in hard-rock environment. We have conducted a series of experiments on new methods such as “l(fā)ongitudinal non-coupling exploding”, “wide band receiving” in the very low SNR region and “wide line acquisition” to improve seismic data quality. The results show that these techniques can enhance the energy of elastic waves propagating downward, expand frequency bands of received seismic signals, and raise coverage times and SNR, which effectively improve the quality of raw data and imaging profiles. It provides the experience and reference for deep seismic data acquisition in hard-rock environment in the future.
Hard-rock; Deep seismic reflection; Data acquisition; Middle and lower reaches of the Yangtze River metallogenic belt; Explosive; Receiving
國家科技支撐計劃項目(2011BAB04B01)、國家科技專項(SinoProbe-03)和地質(zhì)調(diào)查項目(1212011220243,1212011220244)聯(lián)合資助.
陳明春,男,1978年生,高級工程師,主要從事物探技術方法研究.
*通訊作者 劉振東,男,1968年生,博士,教授級高工,主要從事反射地震勘探研究.E-mail:lzd777@163.com
10.6038/cjg20151217.
10.6038/cjg20151217
P631
2015-11-03,2015-12-02收修定稿
陳明春, 劉振東, 呂慶田等. 2015. 結晶巖地區(qū)深地震數(shù)據(jù)采集關鍵技術與方法.地球物理學報,58(12):4544-4558,
Chen M C, Liu Z D, Lü Q T, et al. 2015. Key techniques and method for deep seismic data acquisition in hard-rock environment.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(12):4544-4558,doi:10.6038/cjg20151217.