單 力，李 亮

(1.陜西省煤田地質(zhì)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710026；2.陜西省煤田物探測(cè)繪有限公司，陜西 西安 710005)

0 引言

對(duì)煤田地震野外采集試驗(yàn)資料進(jìn)行定量分析，能夠有效地避免因人工分析經(jīng)驗(yàn)等因素的缺陷，使得試驗(yàn)資料分析評(píng)價(jià)結(jié)果更合理、更規(guī)范、更科學(xué)。在野外施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集的地震試驗(yàn)記錄資料和生產(chǎn)地震單炮記錄資料，當(dāng)?shù)卣饐闻谟涗涃Y料品質(zhì)達(dá)到一定信噪比的基礎(chǔ)上再進(jìn)行定量分析，最終為煤田地震勘探野外數(shù)據(jù)采集施工參數(shù)的設(shè)定提供依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到指導(dǎo)地震勘探野外數(shù)據(jù)采集生產(chǎn)，保障原始地震勘探資料質(zhì)量。

1 試驗(yàn)資料量化分析方法

地震勘探試驗(yàn)資料的量化分析包括信噪比分析、頻率分析、頻時(shí)域分析、時(shí)頻域分析、能量分析、分頻掃描分析和自相關(guān)分析等。經(jīng)上述分析后，能夠定量、直觀地表示單炮地震記錄的頻率、能量、信噪比等量化信息，進(jìn)而分析得出地震勘探資料采集的接收、激發(fā)、儀器和環(huán)境背景等因素對(duì)采集地震資料質(zhì)量的影響，最終確定最佳的地震勘探野外采集施工參數(shù)和施工方案。其分析流程如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)資料量化分析流程

2 工區(qū)概況

工區(qū)屬于新疆瑪納斯縣管轄區(qū)，勘探區(qū)與101省道之間有簡(jiǎn)易公路，里程約5 km，交通條件較差?？碧絽^(qū)大部分區(qū)域有牧道，溝壑縱橫，地形較為陡峭，通行非常困難。勘探區(qū)距離瑪納斯縣直線距離約50 km，向東120 km到達(dá)烏魯木齊。工區(qū)位于天山北麓低中山區(qū)，屬于自然林區(qū)和草原，植被較為發(fā)育，地勢(shì)南高北低，西高東低，海拔高度1 733～1 900 m。

2.1 地層及構(gòu)造

勘查區(qū)內(nèi)出露地層由老至新有：第四系(Q4)現(xiàn)代沉積、頭屯河組(J2t)、西山窯組(J2x)和侏羅系下統(tǒng)三工河組(J1s)。侏羅系中統(tǒng)西山窯組為主要的含煤地層，其含煤性較好，煤層賦存較為穩(wěn)定，煤層數(shù)較多，厚度較大，且在勘探區(qū)內(nèi)全區(qū)賦存。煤層主要賦存于西山窯組，煤層有25層，其中可采煤層為13層，煤層編號(hào)為B13-B1號(hào)。全區(qū)含煤，該段煤層組合特征為4～5層厚煤層及其間7～8層薄煤層組成。煤層總厚51.06～57.35 m，平均煤層厚度為54.21 m，此段的地層平均厚度約830 m，含煤系數(shù)約6.5%。含可采煤層13層，厚度48.80～53.74 m，平均厚51.27 m，含可采煤系數(shù)為6.2%。煤層總體變化趨勢(shì)不大且間距較穩(wěn)定。地層中含煤不均勻，底砂礫巖段中不含煤；下層含煤層段含煤性最好；中層含煤層段含煤性相對(duì)略差；上層含煤層段含煤性最差，煤層多為灰分高或煤與炭質(zhì)泥巖的薄層，且沿走向上厚度不穩(wěn)定?？辈閰^(qū)整體為一近東西走向的北傾單斜構(gòu)造，淺部靠近南部急傾斜，傾角在70°～88°，近似直立局部倒轉(zhuǎn)；北部及向深部逐漸變?yōu)橐幌虮本弮A斜單斜構(gòu)造，傾角在15°～35°。淺部沿走向局部被北東和北東向的壓扭性平(推)逆斷層錯(cuò)斷，規(guī)模不大，對(duì)地層形態(tài)影響不大。

2.2 地震地質(zhì)條件

勘探區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系松散黃土，該地層結(jié)構(gòu)松散，地震波傳播速度較低，對(duì)地震波的激發(fā)吸收衰減作用較強(qiáng)烈，對(duì)進(jìn)行高分辨率地震勘探極為不利，勘查區(qū)內(nèi)局部地段有坡積物，多由碎石和黃土堆積而成，激發(fā)頻率較低；勘查區(qū)局部區(qū)域有基巖出露，當(dāng)在基巖段震源激發(fā)時(shí)，地震波傳播速度較大，有利于進(jìn)行高分辨率地震勘探，當(dāng)存在基巖段對(duì)應(yīng)地表起伏不定時(shí)，震源與大地耦合條件較差。本區(qū)主采煤層發(fā)育穩(wěn)定，煤層與上下圍巖地層之間波阻抗存在較大差異，煤層頂板和底板地層為砂巖、粉砂質(zhì)泥巖或泥巖是良好的地震反射界面，理論上可形成能量較強(qiáng)的地震反射波，勘探區(qū)深部地震地質(zhì)條件較好。綜上所述，勘探區(qū)具備進(jìn)行地震勘探的地球物理前提條件?？煽卣鹪词且环N高效、安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的地震勘探激發(fā)方式，在煤田地震勘探中進(jìn)行了廣泛使用，符合當(dāng)今國(guó)家對(duì)安全和綠色勘查的要求，同時(shí)使用可控震源激發(fā)技術(shù)可有效地避免地震勘探激發(fā)成孔困難和炸藥震源對(duì)環(huán)境擾動(dòng)的影響等工程施工問題。

3 試驗(yàn)資料分析

本次試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)采用中點(diǎn)激發(fā)220道接收，道距10 m，炮距10 m，110次覆蓋，共110炮。采樣率為0.5 ms，記錄長(zhǎng)度為4.0 s，記錄格式SEG-D，記錄頻帶為全頻錄制。本次地震勘探試驗(yàn)工作主要是對(duì)可控震源的驅(qū)動(dòng)幅度、掃描長(zhǎng)度、掃描頻率、掃描次數(shù)及震源臺(tái)次進(jìn)行不同參數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)獲取的地震單炮記錄進(jìn)行定量分析后選擇合理、有效的可控震源激發(fā)參數(shù)，確保獲取的原始地震資料品質(zhì)，更好地完成本次勘探地質(zhì)任務(wù)。

3.1 震源驅(qū)動(dòng)幅度試驗(yàn)

可控震源的驅(qū)動(dòng)幅度選擇要考慮震源車底板和地面的接觸耦合情況。當(dāng)震源車底板與地面的接觸耦合良好時(shí)，可適當(dāng)增加震源驅(qū)動(dòng)幅度以增加激發(fā)能量。當(dāng)?shù)孛娴陌纪共黄綄?dǎo)致震源車的底板與地面的接觸耦合較差時(shí)，可以適當(dāng)?shù)亟档涂煽卣鹪吹尿?qū)動(dòng)幅度，可以消除地震單炮記錄中可能會(huì)產(chǎn)生的假象。本次試驗(yàn)震源驅(qū)動(dòng)幅度試驗(yàn)選用1臺(tái)震源，掃描長(zhǎng)度16 s、掃描次數(shù)1次、掃描頻率4～100 Hz，驅(qū)動(dòng)幅度分別采用50%、55%、60%、65%、70%、75%得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖2所示。對(duì)不同單炮地震數(shù)據(jù)進(jìn)行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳驅(qū)動(dòng)幅度，如圖3所示。

圖2和圖3顯示，隨著可控震源的驅(qū)動(dòng)幅度的升高，能量逐漸增大，但是信噪比逐漸降低。驅(qū)動(dòng)幅度分別為60%、65%、70%時(shí)，頻帶較寬，綜合分析認(rèn)為70%驅(qū)動(dòng)幅度參數(shù)最佳。

圖3 不同驅(qū)動(dòng)幅度單炮記錄能量、信噪比、頻率分析

3.2 掃描頻率試驗(yàn)

采用可控震源進(jìn)行地震波激發(fā)時(shí)需要給定一定的掃描長(zhǎng)度，可控震源輸出頻率是由低向高依次進(jìn)行掃描，掃描頻率的選擇決定了頻率最低值和最高值。若頻率最低值太小時(shí)，低頻信息的振幅能量衰減較為強(qiáng)烈，可控震源此頻率范圍內(nèi)隨著掃描時(shí)間變長(zhǎng)，能量會(huì)損失一部分，頻率最低值的選取有利于低頻率的干擾信號(hào)的壓制。在得出最佳驅(qū)動(dòng)幅度為70%后，選用1臺(tái)震源，掃描長(zhǎng)度16 s、掃描次數(shù)1次，掃描頻率試驗(yàn)分別采用4～74 Hz、4～84 Hz、4～100 Hz、4～110 Hz得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖4所示。對(duì)不同單炮地震數(shù)據(jù)進(jìn)行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳掃描頻率，如圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，掃描頻率為4～100 Hz和4～110 Hz激發(fā)時(shí)，地震資料信噪比較高；掃描頻率為4～110 Hz時(shí)，頻帶較寬。綜合分析選擇4～110 Hz掃描頻率。

圖4 不同掃描頻率試驗(yàn)記錄

圖5 不同掃描頻率試驗(yàn)記錄信噪比估算及頻率分析

3.3 掃描長(zhǎng)度試驗(yàn)

可控震源進(jìn)行地震波激發(fā)時(shí)需要給定掃描長(zhǎng)度，具體是指可控震源向地下發(fā)射頻段最低值增加到最高值多需要的時(shí)間長(zhǎng)度，其控制著震源激發(fā)向地下發(fā)射的能量強(qiáng)弱程度，與常規(guī)地震勘探使用的炸藥震源的藥量相同。理論上講隨著掃描長(zhǎng)度的增加所激發(fā)的能量會(huì)越強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)的地震記錄信噪比就越高，但并不是掃描長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，當(dāng)震源激發(fā)掃描長(zhǎng)度過長(zhǎng)或大于地層彈性形變的有效范圍時(shí)，所獲取的地震單炮記錄會(huì)出現(xiàn)二次虛波造成假象而導(dǎo)致地震資料分辨率降低。在以上得出最佳驅(qū)動(dòng)幅度和掃描頻率后，選用1臺(tái)震源，掃描次數(shù)1次，掃描長(zhǎng)度試驗(yàn)分別采用8 s、12 s、16 s、20 s得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖6所示。對(duì)不同單炮地震數(shù)據(jù)進(jìn)行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳掃描長(zhǎng)度，如圖7所示。

圖6 不同掃描長(zhǎng)度試驗(yàn)記錄

圖7 不同掃描長(zhǎng)度試驗(yàn)記錄能量、信噪比、頻率分析

圖6、7顯示，隨著可控震源掃描長(zhǎng)度的變長(zhǎng)，地震單炮記錄能量逐漸增大。在12 s和16 s時(shí)，信噪比最好，16 s和20 s時(shí)頻帶最寬。綜合以上分析認(rèn)為震源激發(fā)掃描長(zhǎng)度選擇16 s比較合適。

3.4 掃描次數(shù)試驗(yàn)

可控震源的掃描次數(shù)與地震勘探理論中的疊加次數(shù)相似。從地震波能量方面講，可控震源掃描次數(shù)的增加提高了有效地震反射波的能量強(qiáng)度，同時(shí)提升了壓制隨即干擾波的能力。在以上得出最佳驅(qū)動(dòng)幅度、掃描頻率后、掃描長(zhǎng)度后，掃描次數(shù)試驗(yàn)分別進(jìn)行1次、2次、3次得到不同的單炮地震數(shù)據(jù)，如圖8所示。對(duì)不同單炮地震數(shù)據(jù)進(jìn)行能量、信噪比、頻率定量分析，選擇最佳掃描次數(shù)，如圖9所示。

圖8和圖9顯示，隨著可控震源掃描次數(shù)升高，對(duì)應(yīng)地震單炮記錄能量逐漸增大，頻帶逐漸變寬。2次掃描時(shí)信噪比最好，綜合分析選擇2次掃描。

圖8 不同掃描次數(shù)試驗(yàn)記錄

圖9 不同掃描次數(shù)試驗(yàn)記錄能量、信噪比、頻率分析

3.5 震源臺(tái)次試驗(yàn)

可控震源激發(fā)可采用 1臺(tái)震源或多臺(tái)震源進(jìn)行組合激發(fā)，多臺(tái)震源組合進(jìn)行激發(fā)是為了增強(qiáng)震源向地下發(fā)射的地震波能量強(qiáng)度，若使用1臺(tái)震源進(jìn)行激發(fā)時(shí)，會(huì)因震源發(fā)力過強(qiáng)將大部分能量浪費(fèi)在淺薄層低速層中，最終達(dá)到壓制地表背景環(huán)境干擾波的目的。并不是施工使用震源臺(tái)次越多越好，當(dāng)使用震源臺(tái)次增多到一定程度后，地震波能量的疊加會(huì)降低有效反射波的主頻，對(duì)進(jìn)行高分辨率的地震勘探方法不利。在以上得出最佳驅(qū)動(dòng)幅度、掃描頻率后、掃描長(zhǎng)度后及掃描次數(shù)后，進(jìn)行震源臺(tái)次的試驗(yàn)，震源臺(tái)次對(duì)比試驗(yàn)分別采用1臺(tái)震源激發(fā)、2臺(tái)震源組合激發(fā)、3臺(tái)震源組合激發(fā)獲取了相對(duì)應(yīng)的原始地震單炮數(shù)據(jù)，優(yōu)選最佳震源臺(tái)次，如圖10所示。對(duì)不同震源臺(tái)次單炮記錄進(jìn)行能量、信噪比、頻率的定量分析，如圖11所示。圖10和圖11顯示，隨著使用的震源臺(tái)數(shù)的增多，震源所激發(fā)的地震波能量逐漸增強(qiáng)，對(duì)應(yīng)有效地震波頻帶逐漸變寬。但是采用2臺(tái)震源激發(fā)時(shí)信噪比最好，綜合分析選擇2臺(tái)震源激發(fā)。

圖10 不同震源臺(tái)次試驗(yàn)記錄

圖11 不同震源臺(tái)次試驗(yàn)記錄能量、信噪比、頻率分析

4 結(jié)論

地震勘探的試驗(yàn)地震資料品質(zhì)的決定了正式生產(chǎn)所獲取的地震原始資料的品質(zhì)，同時(shí)也決定了后續(xù)地震資料處理和解釋成果以及提交地質(zhì)成果的精度。因此，地震勘探試驗(yàn)地震資料品質(zhì)的評(píng)價(jià)在整個(gè)地震勘探過程中是一項(xiàng)基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，極其重要。目前在煤田地震勘探工作中對(duì)地震單炮記錄品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)僅憑技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，經(jīng)驗(yàn)方法僅能達(dá)到對(duì)地震資料的定性分析，采用地震資料定量分析軟件對(duì)地震勘探野外采集的單炮地震記錄進(jìn)行定量分析，定量分析結(jié)果相對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法更加直觀、合理、科學(xué)，能夠更好的指導(dǎo)煤田地震勘探資料采集施工。