鐘沛江，梁曾

(中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司，重慶 401331)

0 引言

近年來，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，證實(shí)地震頻率諧振勘探技術(shù)具有很高的勘探精度和經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，已成為勘探領(lǐng)域新的技術(shù)方法，有望成為地質(zhì)勘探一種新的地球物理勘探技術(shù)。其涉及領(lǐng)域包括：城市地下空間勘察、地?zé)峥碧?、煤炭地質(zhì)勘探、采空區(qū)勘察、交通基礎(chǔ)勘察、金屬礦與非金屬礦勘查、油氣資源勘探、活斷層探測、水壓裂監(jiān)測等。

中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司和北京派特森科技股份有限公司聯(lián)合研發(fā)了一套適用于地震頻率諧振勘探的觀測系統(tǒng)，主要由一體化數(shù)字地震儀(重儀公司)、實(shí)時(shí)數(shù)傳儀和地震頻率諧振實(shí)時(shí)處理平臺(tái)組成(派特森公司)。該觀測系統(tǒng)近幾年在城市地下空間勘察、采空區(qū)勘察和金屬礦與非金屬礦勘查等領(lǐng)域取得了良好的成果。

1 儀器一致性

1.1 儀器一致性的重要性

該觀測系統(tǒng)在應(yīng)用中取得良好的地質(zhì)成果，一方面取決于派特森公司研發(fā)的地震頻率諧振實(shí)時(shí)處理平臺(tái)的先進(jìn)性，另一方面也取決于重儀公司研制的性能優(yōu)良的一體化數(shù)字地震儀。

雖然頻率諧振技術(shù)的成果參數(shù)為波阻抗或者波阻抗比率，無需對(duì)設(shè)備的時(shí)間同步性做要求，但與微動(dòng)、瞬態(tài)面波技術(shù)一樣，都是通過接收環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)或人工振動(dòng)數(shù)據(jù)來識(shí)別地下地質(zhì)體，因此，采集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)十分重要。地震頻率諧振勘探技術(shù)的精度主要取決于數(shù)字地震儀能否真實(shí)記錄震動(dòng)信號(hào)的頻率和振幅大小。其影響因素主要包括地震儀的一致性(一致性差會(huì)導(dǎo)致多臺(tái)設(shè)備工作時(shí)，接收到相同頻率卻產(chǎn)生不同的頻率特性，產(chǎn)生虛假信號(hào))、采集過程中儀器與地面的耦合(如接地不實(shí))、非隨機(jī)干擾(如某固定干擾震源)等因素。

常規(guī)地震勘探技中，除面波勘探是利用近地表面波的速度頻散特性對(duì)地下介質(zhì)進(jìn)行空間和屬性成像以外，其他的地震勘探技術(shù)均由波場走時(shí)確定勘探目的物的空間位置和屬性特征，頻率諧振技術(shù)的成果參數(shù)為波阻抗或者波阻抗比率剖面圖。在同時(shí)使用多臺(tái)儀器時(shí)，要取得準(zhǔn)確的記錄數(shù)據(jù)，儀器一致性就要高。對(duì)于時(shí)域方法來說，偏向時(shí)間精度和鐘差一致性；而對(duì)于頻域方法來說，則偏重頻率幅值的一致性。

從理論需求來講，儀器的一致性越高，處理成果精度就越高。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)數(shù)采硬件部分可以做到很高的一致性，但傳感器頻率幅值的高一致性是很難實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)近幾年地震頻率諧振勘探實(shí)際情況看，只要儀器的一致性控制在±10%內(nèi)，頻率諧振勘探就會(huì)取得較好的成果。從經(jīng)濟(jì)角度看，儀器的一致性控制在±10%內(nèi)就能滿足較多場合的需求，如需更高精度勘探，可將儀器一致性控制在更小的范圍內(nèi)，但這會(huì)增加相應(yīng)的成本。

1.2 儀器一致性檢測條件

為了保證野外數(shù)據(jù)質(zhì)量，正式施工前需要對(duì)相應(yīng)的一體化地震儀進(jìn)行一致性對(duì)比檢測，符合要求的才可以用于野外數(shù)據(jù)采集。在儀器做一致性檢測時(shí)，理論上條件是比較嚴(yán)謹(jǐn)(茍刻)的，如：①周邊無風(fēng)，環(huán)境安靜,無電磁和振動(dòng)干擾；②應(yīng)盡可能將所有儀器布置在環(huán)境條件相同的地方，最佳條件是四周和底部具有隔振，且上表面是平整的硬質(zhì)地基礎(chǔ)(水泥墩)上；③儀器之間距離盡可能短，方向一致，且處于水平狀態(tài)(理論上外震源到所有儀器的距離和能量相同)，否則就會(huì)帶來先天誤差；④GPS/BD信號(hào)要好，保證儀器能正常授時(shí)；⑤要有較長的采集時(shí)間，確保所有儀器能經(jīng)過1～2 h校鐘過程；⑥所有儀器的耦合狀態(tài)一致；等等。

用戶很難找到滿足以上所有條件的環(huán)境，因此，用戶做出的一致性數(shù)據(jù)要比廠家提供的數(shù)據(jù)要差一些是正?，F(xiàn)象。用戶自己做一致性試驗(yàn)時(shí)，雖然條件有限，但也要盡可能將各種不利于一致性檢測因素考慮到位，否則計(jì)算出的一致性與真實(shí)情況較大。因此，做一致性時(shí)必須做到以下幾點(diǎn)，否則計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況相差較大，還會(huì)誤認(rèn)為是儀器自身問題。①周邊無風(fēng)，環(huán)境安靜，無電磁和振動(dòng)干擾；②盡可能將所有儀器布置于環(huán)境條件相同的場所，理論上保證外震源到所有儀器的距離和能量相同；③GPS/BD信號(hào)要好，且要有較長的采集時(shí)間，確保所有儀器能經(jīng)過1～2 h校鐘過程；④儀器耦合狀態(tài)相同；⑤原則上做一致性試驗(yàn)不能在樓上，而且要遠(yuǎn)離墻體；⑥原則上檢測儀器一致性時(shí)，一次檢測數(shù)量不能太多(否則不能保證震源到每臺(tái)儀器的能量相同)，應(yīng)方向一致、且處于水平狀態(tài)(否則，即使到達(dá)能量相同，接收到的信號(hào)大小也不同)；⑦最好選取波形比較一致時(shí)段的數(shù)據(jù)來做分析(避免各種干擾帶來的計(jì)算誤差)。

用于地震頻率諧振勘探的一體化地震儀在出廠前都需要檢測一致性，并用兩種方式計(jì)算，符合要求后才能出廠。

1.3 一致性數(shù)據(jù)對(duì)比

1.3.1 數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場

同一批儀器，不同的采集現(xiàn)場，取得的數(shù)據(jù)是不相同的，圖1是在樓上房間內(nèi)，其數(shù)據(jù)顯然不如圖2(底樓)的數(shù)據(jù)質(zhì)量好。

圖1 將儀器擺放到樓上房間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)波形Fig.1 Data waveform collected by placing the instrument in the upstairs room

圖2 將儀器擺放到底樓內(nèi)采集的數(shù)據(jù)波形Fig.2 Data waveform collected by placing the instrument in the basement

1.3.2 常規(guī)頻譜分析

圖3是截取儀器記錄的一段數(shù)據(jù)(底樓)做的頻譜分析圖，從圖中可以看出一致性是比較高的。

1.3.3 專用軟件分析

頻譜分析只能作定性分析，為此派特森公司針對(duì)應(yīng)用地震頻率諧振儀器開發(fā)了一種數(shù)據(jù)顯示一致性分析軟件，將儀器采集的數(shù)據(jù)輸入電腦，通過該軟件自動(dòng)計(jì)算出本批次的一致性。根據(jù)野外試驗(yàn)情況，數(shù)據(jù)在0.9～1.1之間才能出廠(主要看Z_ever和T_ever數(shù)據(jù))，見圖4。

圖3 一致性頻譜分析圖Fig.3 Consistency spectrum analysis diagram

圖4 派特森專用軟件計(jì)算一致性Fig.4 Calculation Consistency of petrosound Special Software

2 應(yīng)用實(shí)例及成果

應(yīng)用實(shí)例由北京派特森科技股份有限公司提供。

2.1 案例1：在某沿海地區(qū)的淺層地質(zhì)調(diào)查應(yīng)用

2020年5月，派特森公司在沒有其他地質(zhì)資料的前提下，僅利用中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司和北京派特森科技股份有限公司聯(lián)合研發(fā)的用于地震頻率諧振勘探觀測系統(tǒng)進(jìn)行野外采集的無源地震數(shù)據(jù)，進(jìn)行了微動(dòng)及頻率諧振的處理試驗(yàn)，最終結(jié)果與后續(xù)收集到的地質(zhì)鉆孔資料及地質(zhì)構(gòu)造圖高度一致，再次證實(shí)了派特森公司“頻率諧振”及“微動(dòng)”技術(shù)和重儀公司一體化儀器的優(yōu)越性。

由圖5可以看出，在0～50 m范圍內(nèi)，頻率諧振成果與4口地質(zhì)鉆孔資料對(duì)比結(jié)果一致。圖6為微動(dòng)資料的初步解釋結(jié)果，可以較好識(shí)別大體構(gòu)造特征。

圖5 頻率諧振結(jié)果與地質(zhì)鉆孔資料對(duì)比Fig.5 Comparison between frequency resonance results and geological borehole data

圖6 微動(dòng)初步解釋成果Fig.6 Preliminary interpretation results of fretting

由圖7可以看出，頻率諧振成果在0～50 m范圍精細(xì)地描述了地層、斷裂及不同巖性的分布特征，其特征與已知地質(zhì)構(gòu)造圖的特征完全一致。

2.2 案例2：“頻率諧振”采集

2020年5月10日至2020年5月22日，派特森公司協(xié)同某勘察測繪研究院完成了三分量頻率諧振的剖面探測工作，用以調(diào)查地下地質(zhì)構(gòu)造，地層及巖性特征。

測線采集范圍主要位于城市道路內(nèi)，主要存在著車輛行駛、城市施工等各種強(qiáng)干擾背景噪聲。采用派特森公司的實(shí)時(shí)數(shù)傳儀和頻率諧振實(shí)時(shí)處理平臺(tái)及中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司研制生產(chǎn)的一體化地震儀，見圖8。

圖7 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖與頻率譜振成果和微動(dòng)成果對(duì)比圖Fig.7 Comparison of regional tectonic map and frequency spectrum vibration results and fretting results

圖8 “頻率諧振”采集Fig.8 “Frequency Resonance” Acquisition

2.3 案例3：鉛鋅礦勘探實(shí)例

圖9為鉛鋅礦勘探實(shí)例。在波阻抗剖面上可以直接識(shí)別到碳酸鹽巖石地層倒轉(zhuǎn)、直立的構(gòu)造形態(tài)，圖中虛線為礦體賦存部位。該剖面真實(shí)地反應(yīng)了地層形變的基本特征，深部斷裂以及可能的礦體賦存部位,200 m標(biāo)高以上構(gòu)造已經(jīng)得到鉆孔證實(shí)。

圖9 鉛鋅礦勘探實(shí)例fig.9 Lead-zinc mine exploration example

2.4 案例4：煤礦采空區(qū)勘探實(shí)例

圖10為地震頻率諧振技術(shù)預(yù)測的煤礦采空實(shí)例。由于煤層與圍巖的密度在煤層采掘前后差異巨大，而地震頻率諧振成果為波阻抗剖面，因此，該技術(shù)對(duì)此舉有天然的優(yōu)勢。地震頻率諧振剖面不僅揭示了煤礦采空區(qū)的空間位置，還刻畫了剩余煤層與上覆地層的地質(zhì)特征。

圖10 煤礦采空區(qū)勘探實(shí)例Fig.10 Example of coal mine goaf exploration

圖11為地震頻率諧振技術(shù)指導(dǎo)水平井鉆探煤層的成功案例。由于水平井在鉆進(jìn)過程中難以追蹤到煤層，在應(yīng)用地震頻率諧振技術(shù)對(duì)1100～1250 m深度的煤層進(jìn)行成像后，成功地引導(dǎo)了水平井的鉆探，分辨率達(dá)到深度的3‰。

圖11 引導(dǎo)水平井鉆探煤層的案例Fig.11 A case of guiding horizontal wells to drill coal seams

3 結(jié)語

作為一種新的地震勘探技術(shù)，頻率諧振術(shù)可以單點(diǎn)單分量采集，多臺(tái)儀器采集時(shí)無需對(duì)設(shè)備的時(shí)間同步性做要求，剖面成果的體積效應(yīng)影響小，可識(shí)別深部地質(zhì)構(gòu)造，但數(shù)據(jù)采集部分的一致性至關(guān)重要。如何界定一致性的好壞，用戶和制造廠家應(yīng)達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。由于一致性測試對(duì)環(huán)境條件要求高，用戶很難找到相應(yīng)的環(huán)境條件，比較科學(xué)的辦法是制造廠家在提供產(chǎn)品同時(shí)提供一致性檢測報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括測試現(xiàn)場圖片、儀器編號(hào)、計(jì)算一致性原始數(shù)據(jù)和截取時(shí)段，由客戶對(duì)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證一致性。