第3讲地震勘探震源及其新技术

地震勘探仪器的原理与新技术序列讲座第3讲地震勘探震源及其新技术地震勘探震源类型3.1.1冲击型震源特点——激发产生短促的脉冲信号3.1.2陆上用冲击型震源一、炸药震源：１、炸药震源的类型２、井中爆炸的物理过程３、激发条件的选择二、非炸药震源：１、气动震源２、重锤震源成型炸药――预先封装成一定形状和重量的炸药包。激发方式有：井中爆炸、水中爆炸、坑中爆炸、空中爆炸。爆炸索――为细长的索状结构，炸药心外面绕特制棉线，最外一层为强韧的塑料。爆炸索不需钻炮井，只需掩埋在0.3～0.6m深处用雷管从一端引爆。新型炸药震源dBX――2002年引入的一种新型的地震专用炸药。dBX地震专用炸药也称为金属炸药，是一种添加了镁、硼、钙等易氧化金属的混合爆炸物。其机理为:当爆炸反应开始时，起爆冲击波传向炸药，压缩内部空间产生强大的内部压力。这种内部压力提供了使燃料和氧化剂产生化学反应的启动热量，添加的金属作为敏感剂，增加了化学反应的速度。一旦化学反应发生，形成的金属氧化物可增加爆炸混合物的温度，加快反应速度，从而增加爆炸能量。常规炸药与地震专用炸药(dBX)的对比试验结果表明，在相同的表层地质条件下，采用dBX型炸药激发获得的地震数据的质量明显优于用常规炸药获得的地震数据。我国目前在陆上大部分地区仍主要采用在井中用炸药进行爆炸的激发方式。1、炸药震源的类型井中爆炸是在地面钻一口井(井径约10cm，井深10~40m)，把炸药包装上电雷管压入井底，电雷管引线通过专用双绞线(俗称炮线)接到爆炸点火装置(俗称爆炸机)的点火接线端上，当爆炸机接到地震仪发出的启爆指令时，给雷管通电，引爆炸药。打炮井装炸药2、井中爆炸的物理过程井中爆炸的激发条件对激发波振幅和频率的影响—“震源效应”在致密的介质中，激发产生的激发波形比在疏松介质中激发产生的波形其频率高而振幅低；在深井中激发产生的激发波形比在浅井中激发产生的波形其频率高而振幅低；小药量激发比大药量激发产生的激发波形频率高而振幅低。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很强的初始振幅。激发深度――要选在潜水面以下3～5米处。因为潜水面是一个强反射面，面激发又离上面的潜水面不远，所以爆炸所激发的能量大部分被潜水面反射向下传播，从而增强了有效波的能量，减少了干扰波的能量。炸药量――适当增加药量可以提高有效波的振幅，但当炸药量增多到某一定值时，弹性波的振幅不再随炸药量药量增大而增大。其原因是炸药量药量增大后，岩石的破坏作用急速增大，而激发弹性振动的能量并不随之增大，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。组合爆炸――将炸药包分散包装成小包，按一定方式排列，然后同时启爆，这种方式称为组合爆炸。生产实践表明，组合爆炸可以减小爆炸对岩石的破坏作用，使更多的能量转化为弹性波能量，提高有效信号的振幅。3、激发条件的选择这是一种车装非炸药震源。震波发生器为密闭的扁圆柱体(有的型号直径约1.5m，高约20cm),由高强度的金属构成一个侧壁可以伸缩的爆炸室。在野外进行激发操作时，车上的载运装置将震波发生器放下与地面接触，然后车体的后部抬起，以便车体后部的重量均压在震波发生器上，和爆炸室上部的重块共同构成一重约10t的大反冲体，使爆炸室底板与地面紧密接触。震波发生器放置好后，将可燃气体导入爆炸室，然后由电火花引爆。爆炸时产生的脉冲由爆炸室底板传至地下。气动震源和其他冲击型地面震源一样，属于低能量表面震源。因此每一激发点须进行多次脉冲激发，对多次脉冲进行叠加，井采用多台震源同时激发的震源组合以提高信噪比，增大穿透力。二、非炸药震源1、气动震源重锤震源系统是车装的机械装置，将3t以上的平行六面体形铁锤举至3m然后让其坠落，冲击地面以激发地震波。重锤上装有加速度传感器，当重锤冲击地面突然减速时，加速度传感器产生的信号就作为震源激发信号。由于重锤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。2、重锤震源一、电火花震源二、空气枪震源3.1.3水上冲激型震源一、电火花震源电火花震源是利用高压电极在水中的放电效应激发地震波的装置。激发前，高压整流电路先使高压电容充电到几十千伏，高压电容通过放电电缆和放电开关与放置于海水中的一对电极相连。激发时，放电开关接通，电极突然获得几十千伏的高压，电极间水介质中形成十几万安培的放电电流，瞬间产生出几十万焦耳的热能，使海水汽化，对海水产生巨大的冲击力，激发出地震波。电火花震源的特点是激发的地震波频率高(一般100—l000Hz或以上)，因而分辨率较高。由于电火花震源可提供的能量较低，故多采用组合激发。二、空气枪震源空气压缩机把高压空气经由左上方的进气管打进上气室，推动往复阀落下。往复阀中心有一孔道，高压空气由此从上气室进入下气室上、下气室内的压强虽然相同，但往复阀上端的活塞面积略大于下端的活塞面积，故产生静压力使往复阀下降直到被上气室的底座托住。在气枪被触发时，电磁阀打开，高压空气便沿着上气室右壁的孔道注入往复阀上端活塞与上气室底座之间，使往复阀失去平衡，以极高的速度向上滑动。当往复阀的下端活塞滑过四个大排气口下气室的全部高压空气便急速喷到水中产生高压气泡，气泡在静水压力作用下将产生胀缩震荡(气泡效应)，形成向外传播的压力波。空气枪的激发条件对空气枪产生的脉冲频率的影响—“震源效应”空气枪的大小(指下气室的容积)决定激发瞬间喷入水中的高压空气的数量，大气枪产生的气泡比小气枪的大，因此产生的脉冲频率较低；高压空气的气压越大，产生的气泡也越大，同样大的气枪产生的脉冲的频率也越低；气枪放置在水下越深，受到静水压力也越大，产生的气泡就越小，脉冲的频率越高。因此，我们应根据具体工作需要．选择合适的激发条件。深水气枪在工作3.2.1可控震源系统的基本组成3.2.2可控震源的地震记录1）可控震源激发的地震信号――扫频信号2）到达检波点的地震信号――原始记录信号3）可控震源的相关记录信号3.3.3可控震源的工作参数1）扫描长度和数据采集的持续时间2）扫频宽度3）震源个数和振动次数3.3.4可控震源的工作特点3.3.5炸药震源与可控震源的对比3.2可控震源3.2.1可控震源系统的基本组成3.2.2可控震源的地震记录1、可控震源激发的地震信号――扫频信号：tTfffAtX2)(2sin)(121式中分别为扫描起始频率和终了频率，)0(TtT为扫描长度。和1f2f2、到达检波点的地震信号――原始记录信号：)()()(tHtXtY（2）3、可控震源的相关记录信号：)()()()()()(1tXtHtXtXtYtY)()()()()(1tHtXtHtXtX为扫频信号的自相关函数，称为相关子波。)(1tX)(tX)()(tXtX可控震源的相关记录信号，可看作是以相关子波为激发波的原始记录信号。)(1tY)(1tX扫频信号的自相关3.2.3可控震源的工作参数扫描长度数据采集的持续时间扫频宽度震源个数振动次数3.2.4可控震源的工作特点可控震源工作时，3~4台可控震源，以一定的组合形式，在一个振点(即炮点)上同时振动几次甚至几十次。每次振动的持续时间为8~16s，在同一地点振动规定的次数就算完成一“炮“。可控震源在炮点上每振动一次，相关叠加器便将采集的这一次振动的地震信号与可控震源的扫描信号进行相关，相关结果再与该炮点前一次振动的相关和叠加的结果叠加起来。可控震源在一个炮点上振动m次，相关叠加器就进行m次相关和m次叠加（不仅使记录的数据量压缩了m倍，而且能使记录的信噪比提高倍。）最后结果送记录系统记录到磁带上，成为这一“炮”的相关叠加磁带记录。这样形成的磁带记录与使用炸药震源形成的磁带记录长度是一样的，经过同样的回放处理就能形成野外监视记录。m3.2.5炸药震源与可控震源的对比炸药震源可控震源激发波形不可控制激发波形可控制震源能量的利用率低震源能量的利用率低容易对周围环境造成损害对周围环境不造成损害易受干扰可通过相关压制随机干扰3.3震源同步系统为了保证地震仪能准确地从震源激发瞬间开始采集地震数据，震源和仪器车之间部配备了震源同步系统来保持联系和同步。震源同步系统就是一种在地震仪控制下自动启动爆炸，并能传送爆炸信号和井口信号的震源同步装置。它由两部份组成，安装在仪器车上的部分为“控制器”，放在炮点的部分为“爆炸机”。爆炸机与控制器之间通常用无线电台联系(必要时也可以用有线通讯联系)。