地震波的激发与接收.

第三章第三节地震波的激发与接收思考题1.对地震波的激发有何要求？2.都有哪些陆上震源？各自的特点是什么？3.对地震波接收有何要求？应注意哪些问题？主要内容对激发的要求陆上炸药震源陆上非炸药震源对地震仪器的基本要求道间距选择与空间假频检波器的埋置条件检波器组合原理地震数据采集实验说明•实验目的•实验要求在地震勘探野外数据采集中，首先要用人工方法激发地震波。但由于地表条件的复杂性（沙漠、戈壁、黄土覆盖区、浅滩区），所用震源及检波器的不同，会造成地震子波差异较大，从而影响后续的资料处理工作，为此，对地震波的激发和接收有一些基本要求。一、对激发的要求首先要有足够强的能量在石油勘探中，要用地震反射法查明地下几千米深度范围的一整套地层的构造形态，地震波从震源出发，传到地下再反射回地面，传播这样长的距离，没有足够的能量是不行的。在激发出有效波的同时还会产生各种各样的波，如干扰波，异常波等，故应使地震有效波具有较强能量、显著的频谱特性和较高的分辨能力，以利于记录有效波。地震勘探使用的震源，基本上分为两大类：一类是炸药震源另一类是非炸药震源人工锤击炸药可控震源地震勘探中的几种激励源滨海505号海洋勘探船我国第一台600kJ陆地电火花震源车（2005年）海洋石油震源船二、陆上用炸药震源地震勘探方法一直采用炸药为主要震源，特点：以爆炸力强的炸药为主要材料，需要雷管进行引爆，产生的脉冲尖锐，频率范围较宽。普通炸药震源一般需要钻炮井，起爆时有相当一部分能量消耗在岩石的破碎上。爆炸索只需埋藏在0.3～0.6米深度处引爆，不需炮井，但在掩埋不好时，易引起气爆现象，造成干扰。用炸药激发时，激发方式一般有井中爆炸，水中爆炸，坑中爆炸和空气中爆炸等几种，一般以井中爆炸效果最好。井中爆炸是地震勘探中最常用的一种激发方式。井中爆炸的优点是：首先能减低面波的强度，消除声波在记录反射波时造成的困难。其次，爆炸时，在直达波中形成很宽的振动频谱。第三，可以大大减少炸药量。准备爆炸的时间大为缩短，加快了野外工作。激发条件选择：1、首先考虑激发岩性爆炸时所产生的地震波的频谱，很大程度上决定于激发岩石的物理性质。若在松软的干燥岩层如砂层或在松散的岩层如淤泥中爆炸，则频率很低，而且爆炸能量大部分被松散的岩层所吸收，转化为有效波的弹性能量不大；而在坚硬的岩石(如石灰岩、结晶片岩、冰等)中爆炸，则会产生极高的频率，但是随着地震波在岩层中的传播，这种高频的振动将很快被吸收掉。而且在坚硬的岩层中爆炸，大部分能量消耗在破坏井壁周围的岩石上。转换为弹性能量的不多，造成激发的地震波能量不强。因此激发岩性应选取潮湿的可塑性岩层，如胶泥、粘土、湿砂等这样的岩性可使大量的爆炸能量转化为弹性振动能量，使激发的地震波具有显著的振动特性。时间轴2、激发深度以反射波来说，要选在潜水面以下，最好是在潜水面以下3～5米的粘土层或泥岩中爆炸。这样可使激发的频谱适中，且由于激发离上面的潜水面不远，潜水面又是一个强反射界面，爆炸所激发的能量由于潜水面的强烈反射作用而大部分往下传播，从而增强了有效波的能量，减少了干扰波的能量。若能考虑到在离开地面一个面波波长的深度激发，就可以较好地抑制面波。生产中可以通过调查民用水井的水位，捞取钻井的岩样分析或通过电测井，微地震测井，浅层折射求低速带来进行潜水面深度、激发岩性等的了解。3、激发药量的选择应考虑几个方面的因素：炸药包周围的岩性；要求的勘探深度；爆炸点与接收点之间的距离；仪器的灵敏度等。在上述因素都不变的情况下，适当增加炸药量，可以提高有效波的振幅。振幅药量弹性波振幅A与药量Q的关系：由实验结果表明是A=KQｍ，这里m＝0．2～1．0，当Q较小时m近似于1，激发产生的弹性波振幅与炸药量Q成正比地增加，但随着Q值的不断增加，A随Q增加而加大的速度变慢，当炸药量增大到某一定值时，弹性波振幅不再随炸药量的增大而增大。其原因是炸药量增大后，岩石的破坏作用急速增大，而激发弹性振动的能量反而相对减少，所以激发产生的地震波振幅也就不会再随炸药量的增加而加大。这时如果要想只通过加大炸药量来增大振幅值，效果不会好，反而会引起野外工作成本的增加。如果在远距离接收时，必须使用大炸药量进行激发或者在已经采用了一定的药量，仪器的灵敏度也最大限度地提高了，尚未获得所需深层的反射，在这种情况下，为了减少爆炸对岩石的破坏作用，使更多的能量转化为弹性波能量，可以将炸药分散包装成小炸药包，按一定方式排列，然后同时起爆，这种方法称为组合爆炸，组合爆炸的方式有直线组合和面积组合。生产实践表明，组合爆炸的效果较好，可以相对地减小由爆炸产生的偶然干扰水平，提高有效波信号的振幅（提高有效波振幅与其它和爆炸无关的干扰水平的比值），有利于有效波的方向选择接收。要使组合爆炸得到良好的效果，很重要的是选择好组合参数，特别是炸药包之间的距离十分重要，爆炸物理过程的实验研究工作表明，爆炸能量主要部分(80％以上)损耗在炸药包破坏半径8~10倍的距离上(大致为塑性带范围)，在进行组合时，如果邻近二个炸药包距离过小，爆炸使炸点间介质压力突然增加，加剧爆炸对岩石的破坏作用，引起过多能量的损耗，降低爆炸的地震效应。因此必须使最近二个爆炸点间距离不少于由单个炮点起爆时形成的塑性带半径r２的二倍，用于实际计算的经验公式有r2=1.5Q1/3D=2r2=3.0Q1/3其中Q为药量，r2为起爆时形成的塑性带半径，D为组合井的井距。应注意的一个问题是，当药量一定时，随着药包个数的增加，激发振幅加大，增至某一数值时，再增加药包个数，将会因能量的过于分散而使效果减弱。水中激发水中爆炸是在海洋、湖泊或河流中进行地震勘探时，所利用的激发方式。在浅水中爆炸，应注意药包接触的岩性，要避免在淤泥中激发。若在深水中激发，则应正确选择沉放深度，沉放深度过大，将由于气泡惯性胀缩而造成重复冲击，使记录受到严重干扰，消除重复冲击的方法是加大炸药量或将沉放深度变浅，使爆炸后气泡迅速冲破水面接触空气而破裂。至于药量，根据某些试验结果表明，按1米水深为6公斤，1米5水深药量为9公斤，2米水深药量须15公斤的关系，效果较好。但为了保护生态环境和渔业资源，水中爆炸应尽可能避免。坑中激发坑中爆炸又叫土坑炮。在沙漠、黄土沟、砾石覆盖区等地区，不便钻炮井，潜水面又很深，只能采用土坑组合爆炸。例如我国西北地区不少地方的勘探工作使用坑炮，获得良好效果。坑数及药量，可通过试验决定，坑炮同样应注意选择激发岩性，以胶泥粘土、泥岩等为好，但要注意药包应放在坑底的斜洞内，填上土，给药包以一定压力，增加爆炸能量的下传。坑距的要求，以爆炸后各点岩石的破坏圈互不相切为适宜，一般在10～20米左右。我国目前在陆上大部分地区仍主要采用井中炸药进行爆炸的激发方式。但是，随着勘探规模的扩大和技术发展，炸药震源逐渐暴露出如下缺点：钻炮井和使用炸药所需费用较大，时间较长，在需要钻较深炮井才能获得良好激发条件的地区，耗费就更大。缺水地区，地形复杂、表层为砾石，流砂沼泽等钻井困难地区，施工不便。工业区，人口稠密区均不宜使用炸药。海上由于保护渔业生产，亦不宜使用炸药。在需要较大能量才能获得反射的地区，除了加大药量以外，不能用延长信号的持续时间这一办法来积累能量，而炸药量的加大是受一定限制的。炸药的运输，保管和使用中容易发生危险。为了克服上述的不利因素，出现了非炸药震源。三、非炸药震源为了克服炸药震源的缺点，使地震勘探可以在沙漠、黄土覆盖等地表条件恶劣的地区开展工作，很早以来就开始了地面非炸药震源的研究工作。由于能量弱，干扰强，信噪比低等缺点未能得到很好解决，不能真正用于生产。直到六十年代，随着多次叠加、数字记录、计算机处理等新技术的应用，各种新型非炸药震源装置才具有实际使用价值，这几方面互相促进，使地震勘探水平不断提高。在我国，玉门地区使用可控震源取得了很好的地质效果，是我国在陆上使用非炸药震源的一个良好的开端，这对在我国西北、西南地区开展地震勘探工作是一个有力的促进。陆上非炸药震源主要分为撞击型(如重锤和气动震源)和振动型(如可控震源)。1、气动震源是一种车装非炸药震源，地震波发生器为密闭的扁平圆柱体，有的型号直径约1.5米，高约20公分，由高强度的金属构成一个侧壁可以伸缩的爆炸室。爆炸室顶部为一沉重的反冲体，底板与地面接触。在将地震波发生器放置好后，将约85公升的丙烷及氧气混合物导入爆炸室，在2个大气压力下，由电火花引爆。爆炸时，较轻的底板(230公斤)能迅速作出反应，将脉冲传至地下。传至地下所需时间约2毫秒。气动震源和其它冲击型地面震源一样，属于低频、低能量震源。因而对于噪音的抑制、提高分辨能力和穿透深度等问题，均需采取相应的措施加以解决。2、重锤重锤震源系统是车装的机械装置。将3吨以上的重锤高举至3米然后让其坠落向地面冲击以产生地震信号。在重锤撞击地面之后就马上把它从地面提起，以便使重锤在几秒钟之内在另一个地点再次落下，在这段时间，卡车移动了3公尺。每次激发的地震波由一个排列接收，记录在磁带上以便随后进行叠加。在使用重锤的最初一段时间，主要采用这种固定接收排列、使震源本身移动的办法。由于重锤的撞击产生的面波较强，一般也使用大量检波器组合和组合激发以及多次叠加。此法比较简单，但也有许多具体的复杂技术问题，如使用大型的运输车辆，需要能通过重型车辆的公路等。3、可控震源可控震源系统的野外工作方法，在许多方面与炸药震源基本上一致。比较特殊的是在采用可控震源时要进行大量的组合、叠加，即同时用几台震源，以一定的组合形式，在一个振点(即炮点)上振动几次至几十次。每次振动后，各台震源保持其组合形式，向同一方向挪动一定距离，再振动第二次。振完第二次后再向前挪动同等距离振动第三次；依次直到振动完所规定的次数为止，这样才算完成一个振点(即一炮)。野外记录是上述许多次振动叠加的结果，经相关后得到能供监视的记录。可控震源工作原理：R1R2R3振动扫描信号与a互相关后的波形为了使扫描频率选择灵活、准确，扫描信号是用固定程序通过计算机计算产生，然后控制液压伺服系统，推动振动器振动。此扫描信号的延续时间很长，如10~20s，最长可大30~40s。但它的自相关函数却是很短的脉冲：需要强调的是：得到的记录波形不是反射波信号本身，而是它的自相关函数图形，所以求取反射波到达时间时，不能看起始振动时间，而是相关函数极大值对应的时间。（这很重要，不要与炸药震源记录混为一谈）要注意可控震源的组合激发是“双重的”，即在一个振次中若干台震源组合；在一个振点上若干个振次的组合。再加上每一道用多个检波器组合接收，又采用多次复盖。在经过水平叠加处理后的剖面上，每一个地震道实际上的“叠加总次数”(指为了得到最终的结果，加在一起的各种射线的总数。即每一爆炸点的震源数乘上每道的检波器数，再乘上叠加所用的道数，也叫重复次数)是很高的。可控震源的参数主要包括理想子波波形(与扫描频率信号的起始和终了频率有关)、震源台数、扫描长度、振动次数等。与炸药震源相比，可控震源有如下三个方面的突出优点：（1）不产生地层不传播的振动频率，从而节约能量。当炸药爆炸时，在炸药附近产生的是一个尖脉冲，它的频带很宽，随着这个脉冲向地下传播时，高频和部分低频被地层吸收，而只有一部分频率的波得到比较顺利的传播。爆炸震源消耗了一部分能量于产生无用的频率。而可控震源则可以根据地层特性选择损耗最少、最适于地层传播的频带作为扫描的频带，这样，震源的能量便能够发挥最大的效果。（2）不破坏岩石，不消耗能量于岩石破碎上。用炸药震源时，在炸药附近相当一个范围是岩石破碎圈，所以炸药的很大一部分能量消耗在这里。而可控震源冲击地面的力量一般是5～15吨，所以对岩石的破坏较小，大部分能量用于产生弹性波。（3）抗干扰能力较强。由于可控震源系统采用了相关技术，所以可避免许多干扰，提高资料的信噪比。除此以外，可控震源的特殊优点还在于，引起地面损害小