（地质工程专业论文）地震勘探特殊震源的研制与应用.pdf

摘要 本文基于球腔震源的纵波位移方程、激发子波的振幅及频率与药量的关 系等理论基础，总结了纵波质点位移与药量成正比、振幅谱均方根与空穴半 径的3 2 次方成正比的定量关系。在此基础上，研制丫细长药柱震源、垂直 延龌迭加震源、聚能震源弹、爆炸地震锤和两弹对撞震源。 细k 药柱震源利用正向激发长约梓的定向性特点，达到激发后的波前面 在垂直向下的方向上是同相替加的，显示f 很强的定向性，有利于纵波的激 发和传播。 垂直延迟迭加震源通过控制装药方式和控制炸药速度来达到与围岩的最 佳匹配，最大限度的利用其激发的能量，激发出高频成份丰富、频带宽、高 频能量高的地震信号； 聚能震源弹采用定向聚能的原理，使激发的能量集中向下，减少了对地 面的冲击； 爆炸地震锤由爆炸射流抛射锤头撞击地层，激发地震波具有较高的频 率，同时弥补了聚能震源弹能量利用率不高的缺点； 两弹对撞震源采用药柱两端同时起爆，提高震源的激发能量，产生高能 量的地震波。这五种震源可适用于f 同的地表条件和地质任务，应用效果较 好。 a b s t r a c t b a s e do ht h et h e o r yo ft h ep w a v ee q u a t i o nw i t has p h e r i c a l s o u r c ea n d t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo f t h ew a v e l e t a n dc h a r g e t h ef 0 1l o w in gq u a n tit a tiv er ef a tio n s a r e o b t a i n e d t h ep - w a v e p a r t i c l ed i s p l a c e m e n ti sp r o p o r t i o n a t ot h e a m o u n to ft h ec h a r g ea n d t h er o o tm e a n s q u a r e o f a m p it u d e is p r o p o r t i o n a l t ot h e3 2r o o to fc a v i t yr a d i u s o nt h i sb a s i st h e e l o n g a t e dc h a r g e ，t h e v e r t i c a l d e l a y s t a c k e ds o u r c e ，t h e c o n c e n t r a t i n g e n e r g ys o u r c e ，t h ed e t o n a t i n g s e i s m i c h a m m e r ， o p p o s i t ec o l l i s i o ns o u r c ea r ed e v e l o p e d u s i n gt h ed i r e c t i o n a c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o s i t i v ed i r e c t i o n e x p l o s i o ne o n g a t e dc h a r g e ，t h e w a v e f r o n to ft h ee l o n g a t e dc h a r g e i nt h e e x p l o s i o n o c a t i o ns h o w i n gh i g h e rd i r e c t i v i t y i ss t a c k e d i n p h a s ea n da l s op r o p i t i o u sf o rp - w a v et oe x p l o d ea n dt r a v e l t h ev e r t i c a ld e l a vs t a c k e ds o u r c eo b t a i n st h eo p ti m u mm a t c h i n g w i t ht h ew a l l r o c k b yc o n t r 0 1 i n g t h e c h a r g e m o d ea n dt h e e x c i t a t i o nv e l o c i t ya n dm a x i m u me n e r g yo fi t i su t i l i z e d t h u st h e s e i s m i cs i g n a l sw i t ht h eh i g hf r e q u e n c ya r eo b t a i n e d t h ec o n c e n t r a ti n ge n e r g ys o u r c ef o c u s e st h ee n e r g yd o w n w a r d a n dr e d u c e sp e r c u s s i o nf o r t h eg r o u n db yu s i n gt h et h e o r yo f d i r e c t i o n a c h a r g e 。 t h es e i s m i cw a v em a d d i n gb yt h ed e t o n a t i n gs e i s m i ch a m m e rh a s h i g h e rf r e q u e n c y a n d r e m e d y t h e d i s a d v a n t a g e o ft h e o w u til iz a ti o no ft h ee n e r g yo ft h ec o n c e n t r a tin ge n e r g ys o u r c e t h e o p p o s i t e c o l l i s i o n s o u r c e i m p r o v e s t h e e n e r g y o ft h e s o u r c ea n do b t a i n st h es e i s m i cw a v eh a v i n g h i g h e re n e r g yb yu s i n g t h ee x p l o s i o no ft w od o l e sa tt h es a m et i m e t h e s ef i v es o u r c e sc o m f i tf o rd i f f e r e n ts u r f a c e sa n dg e o l o g i c t a s k s ，a n dh a v eag o o de f f e c t 绪论 o 1 研究课题的提出 1 课题来源 本课题来源：中国石油化工集团股份有限公司“十条龙 科技攻关项 目全三维地震勘探技术研究的子课题激发机制与激发技术研究。 2 选题依据 地震勘探是利用人工震源激发，产生地震波，在地下空间传播，遇到 波阻抗分界面时，一部分能量被反射回来，形成反射波。地震勘探就是通 过分析和研究这些反射信息来确定地下介质的空间分布的。可见，震源是 影响地震记录品质的主要因素之一，激发震源效果的好坏，直接决定着勘 探的质量。众所周知，激发源所产生的子波应满足以下条件： 较宽的频带宽度，即地震波应包含足够多的高频和低频成份； 较高的主频，能够满足地震勘探分辨率的需要； 保证足够多的地震波能量，特别是深层反射能被仪器接收； 较高的信噪比，特别是改善高频成份的信噪比，为处理阶段进一步改善 信噪比提供条件。 炸药震源是目前国内外在常规的地震勘探中最常用而较为理想的主要 震源，它激发的地震波具有良好的脉冲性质和较高的地震波能量。在陆上 地震勘探中，多数情况下炸药是在充满水的浅井中爆炸，以激发地震波。 在无法钻井或钻井困难的地区多采用坑中爆炸。在江河湖海勘探时采用水 中爆炸。 随着勘探程度的不断深入，勘探要求也越来越高，特别是一些特殊要求 的地震勘探，如：高分辨率地震勘探、深层地震勘探、山地地震勘探等技术 的推广应用，普通的成型炸药由于产生的震动大，破坏作用明显，所以，在城 镇、工农业密集区，河流、盐田、虾池、楼房等特殊地表条件下激发受剑限 制，并且普通震源激发后信噪比低，次，e 干扰严霞等影响已经不适合特殊地 震勘探的要求，所以人们丌始寻找更好的激发震源，以求得剑比较好的勘探效 果。根据地震波传播、吸收衰减规律表明，地震反射信号随着传播趴离的增 大，信号衰减严重，高频、低频信号哀减差异较大，高频信号因地层滤波作用 和地层的吸收作用，反射能量大幅度哀减，通过深层反射到地而米的信号人 多是微弱的低频信号，甚至这些有效反射信弓常常被“淹没在干扰中。另 外，激发因素的变化也可以导致激发信弓的高低频发生变化，是影响地震勘 探有效信号产牛的又一重要因素。我们知道人地衰减作用是非人为冈素所能 改变的，只有通过对震源激发这一重要环i 了进行研究才能有所突破。因此， 地震勘探激发首先要解决激发的能量和频家的i 、u j 题。由于地震勘探主要足一 种宽频；特的地震勘探，为了增加频带的宽度，获得适合各种频率成分的地震有 效波，就要求频带尽量的向低、高频两端拓展，所以关键的i 、u j 题足如何提高 激发地震波的能量，特别是提高高频信号的能量，减少由大地滤波作用造成 的高频损失。因此，就要求研制一种新霉| j 震源，使其激发后具有比常规震源 更宽的频带，保证分辨率和信噪比，并且在有效频带范围内振幅向高频力向增 强，性能要稳定。 o 2 研究的现状分析 地震勘探巾，最普通的激发震源是硝胺药柱或t n t 约柱。该类震源是 将炸药装在彳 i 司的规格的塑料壳体巾，使月j 时根据需要的药量大小，拧装在 一起即可。由于普通震源激发后对地农的震动大，无法在城镇、工农业密集 区等特殊地表进行激发。随着地震勘探技术的不断发展，勘探程度愈来愈 高，为了拓宽激发频带的宽度，提高高频激发能最，将更多的能量向下传 递，增加有效波的高频成分，减少由大地滤波作用造成的高频损失，减少爆炸 对地面的不利影响，抑制虚反射，解决地震勘探在复杂地表区的激发问题，提 究： 高下传地震波的频率和能量，以此| = 1 的发，常规激发震源满足不了目前的 需要，改善激发方式和震源特性应是 1 前在野外增强反射波能量、提高信噪 比和地震勘探分辨率所要侧重考虑的手段。 通过对震源激发机制的深入研究，研制了垂直延迟迭加震源、两弹对撞 震源、地震锤、细长药柱震源和特殊地表聚能震源弹五大系列，确定了特殊 地震勘探激发震源产品的结构及其类型。特殊激发震源的特点首先是充分利 用炸药爆炸效应，提高了总的激发能量，将更多的能最向下传递，增加有效 波的高频成份，减少爆炸对地而的不利影响，抑制了虚反射；其次足解决地 震勘探在复杂地表区的激发问题，提高卜传地震波的频率，增加了有效波频 带宽度，并且在有效频带范围内振幅向高频方向增强，而且性能稳定，不仅 提高了分辨率和信噪比，而且提高j ，激发能量。 与普通柱状炸药相比，在激发的瞬间减少了向上的冲击能量，减少了表 层干扰的能量，并且提高了地震波的频率和能量。特别适用于建筑区等复杂 地表地震勘探。通过严格的控制爆炸速度、延迟时间和定向聚能的角度，从 而更好的与激发围岩相匹配，其频；带比常规震源提高8 0 1 0 0 h z ，高频成份丰 富，子波窄，频率高，推广应用大大提高激发的高频能量，减少由大地滤波 作用造成的高频损失，并且利用特殊地震勘探激发震源解决了在特殊地表空 炮的问题。 o 3 采取的研究方法及可行性分析 主要是通过对震源的整体结构，传爆装氕与装药的药量以及药型进行研 地震锤震源整体结构包括：启爆雷管室的螺塞、螺盖、带起爆药柱的具 有定向爆炸的主药柱及聚能激发元件，冲击柱塞，耦合药柱及盖片，锤头。 垂直延迟迭加震源整体结构：多个单元定向爆炸装药结构盒金属连接长 柱体。包括：由螺塞、螺盖、起爆药柱组成的起爆装置，主体聚能装药柱及 聚能激发元件，击发药盒，底端盖：传爆装置：是由上单元的聚能激发元件 与下单元的击发药盒组成，决定了传爆速度。 聚能弹主要由护盖，弹体组成。弹体内有较高的抗水性能密封槽：增强炸 药的爆炸时的聚能效应，降低爆轰产物及冲击波对周围介质的破坏作用的装 药弹体；具有较强的密封作用密封盖。 两弹对撞震源主要由两端螺寒、螺盖、起爆药柱组成的起爆装置，主体 聚能装药柱及聚能激发元件，中间的金属接管。 o 4 研究内容 主要包括地震勘探震源激发的基础理论研究和对细长药柱、垂直延迟震 源、聚能弹、地震锤、两弹对撞震源激发地震波能量分布规律以及结构及其 类型研究。 细长药柱为多个等药包的组合爆炸，当爆速等于药柱附近介质速度时， 各药包的波前面在垂直向下的方向上是同相叠加的，垂向应力成倍增，而在 其他方向上各药包波前为异相，显示很强的定向性，有利于纵波的激发和 传播。 垂直延迟震源是由多个单元定向爆炸，并且从顶端起爆，因而使爆炸各 单元之间的延迟速度可近似于地震波在周闱介质的传播速度；依次爆炸，使 在垂直向下方向上爆炸务单元产生的波前面重合，而垂直向上方向上，波前 面相差较大距离，从而达到加强了向卜- 能量，压制了上传能量。有效地压制 了向上的面波和虚反射。 聚能弹是采用了定向聚能的原理，降低或消除炸药爆炸瞬间对周围介质 的强烈冲击而造成的破坏；以及减缓地表质点的振动速度。从而保证在楼房 建筑近距离使用该震源有绝对的安伞性，同时又可保证使用能获取较为理想 的地质资料。 地震锤是采用了冲击柱塞和锤头，使爆炸产生的能量不是直接以爆炸气 流冲击地层，而是让爆炸能量抛射锤头撞击地层，将爆炸的能量转换成振动 能量。 两弹对撞震源是震源的两端i 司时激发两个药包，产生射流在中间相撞产 生强大的冲击波作用于地层，提高了地震波的能量。 关键技术： 精细的表层结构调查技术。 形成一套完善的表层结构调食技术，能够较准确的确定施工地区的表层 结构数据，提供表层围岩速度，为选择激发参数提供依据。 激发机制与激发技术方法研究。 通过该项技术的研究，能为地震采集提供合适的激发震源，并形成配套的激 发技术，激发出富含高频成分的震源子波，并最大限度地提高能量转换效 率。 所需实验手段、研究条件和实验条件 先进的采集设备。 数据收集和数据量化处理软件 计算机和辅助设备 o 5 研究口标 通过对震源的激发机制的深入研究，研制垂直延迟迭加震源、两弹对撞 震源、地震锤、细长药柱震源和特殊地表聚能震源弹五大系列，确定特殊地 震勘探激发震源产品的结构及其类型，并在高分辨率地震勘探、深层地震勘 探等特殊地震勘探中推广应用。 1 震源的爆炸机制 在地震勘探中炸药爆炸的瞬间h i 强高达儿十万个人气压，炸药包附近的 岩石在强压力的作用卜发乍永久形变( 岩石被破碎、粉化) ，形成一个实际 的窄穴区，如图卜i 所示。( 随着炸药最的不同，这个空穴的范闱一般为1 米至几米) 。在此空穴之外，压力迅速衰减，窄穴区以外的一。定范闱内，岩 石虽然不象窄穴区那样被破碎、粉化，但由丁j 基力仍然超过岩石的弹性限度 而使岩石的形变1 能全部恢复，乜f 卜j ，所谓塑性形变区，女| i 图卜i i 所示。过 了这个区域，雕力衰减到没有超过岩石的弹性限度，虎克定律便得剑满足， 岩石的形变就能全部恢复，即进入弹性形变区。如图1 - i i i 所示。 实际空穴区( 永久形变区) 和塑性形变区 都不满足虎克定律的条件，都属丁非弹性 区。冈此，我们把塑性区以内的范俐称为 等效空穴区。等效窄穴区的边缘( 也就足 弹性区的起始界限) 所产乍的岩石质t i 扰 图1 爆炸的物理过稃 动才是地震波的起始扰动，我们称之为地震激发波。这种扰动是一种弹性 波，服从固体介质中弹性波的传播规律，在均匀介质中，它的波前面足一个 球而，如图卜i l i 所示。 理想的震源信号应当满足以卜条件： 足够的能量，在传播很远之后，仍然几j 以检测剑； 持续时间短，可以分辨离得很近的两个界面； 可重复性，每次激发后的波形及1 频谱差别很小： 产生的噪声不影响反射波的检测。事实1 ：，山于地表条件往往十分复 杂，上述条件很难一j 时达剑，实际一j | 作中必须根据特定的勘探任务和近地 表条件，适当调节激发参数，获得最佳勘探效果。 我们从理想介质中球状震源的假设条件出发，推导纵波位移方程，结 o 合爆炸的有关原理，可定量的分析激发子波振幅、频率与药量大小的关系。 1 1 球腔震源的纵波位移方程 假设在均匀各向同性的无限大的弹性介质中，挖一个半径为，的球形空 腔来模拟实际炸药的爆炸，当药包体积很小而，又足够大，可认为在球腔壁 上只产生弹性形变，爆炸引起介质质点的振动，纵波的位移方程： = 急p 4 “以一t r 其中 k = 半 式中：肋为作用于腔壁上的起始应 力；为切变摸量；彳为波的传播时间；劝 圆频率；s 为传播距离。从( 1 ) 式町知， 位移是按指数规律哀减的正弦振动，位移 图卜2 一l aa 与q 。的关系曲线 随传播距离的增大反而减小，随，的增大而增强，又随药量的增大而增 加，即位移与药量成正比关系。 1 2 激发子波的振幅、频率与药量的关系 在爆炸原理中，认为球形药包药量的大小与被爆破的岩石体积成正比，即 为： 细矿 ( 2 ) 式中：p 为药量；q 为单位体积岩石的炸药消耗量；v 为体积，和为药包 爆炸漏斗的底网半径和最小抵抗线，对标准抛掷爆炸来说，4 = ，其漏斗体 积为： ( 3 ) 故町得：q - - q r 7 ( 4 ) 由( 4 ) 式可知，球腔半径与约最的立方根成正比，激发子波的强度与药 量的立方根成l 卜比。i 大l l l e ，在地震勘探t - 激发子波的振幅彳与p 的立方根成 正比关系( 即a - - c q 77 ) ，设c = i 时做的a 与p 的关系曲线如冈卜2 1a 所 示。从图卜可以明显的肴随着p 的增大，曲线越来越i f 缓，增大剑一定的 值，a 增加的很小，卜要足由于此时的 药量人部分用- 丁- 岩石的破坏作用， i 有小部分转化为弹性能量。 而激发子波的频率与药量的晓方 根成反比( 即f = c q 卜7 ) ，做fl j ，与p 的 关系曲线如图卜2 1b 所示。从图卜n j 以明 u ! 的看出随着p 的增大频率，变 0 s1 01 5 | 鬈j 卜2 一i b f jq 的关系曲线 低，曲线越来越、f 缓，药量增人剑定的位时，随约量的变化曲线处于、f 稳。 在地震勘探l 记录的是质点运动速度，它足位移对时问的导数，即： s ( f ) 一_ 百d u ( 5 ) 对s ( ，芒) 做f o u r i e r 变换，可以得剑频率域农达式： j ( 彩) - i i ( 戋“i m o j 阿 于是振幅谱为： ( 6 ) v ( 御) l = 了i 产生一 七、( 等一彩2 ) 2 + 2 k 二2 山此门j 以得剑振幅谱的极人点频率： 缈= 扭= 再2 t , ( 8 ) 即振幅谱的极人点频率与孔穴半径成反比。 - j ：l 旦c o 一巾i i t 入j = ( 7 ) ，得到振l 瞄谱极人l i 的帆嫂： si = 寿= 盖 ( 9 ) 振幅谱的均力冲诞值： s r u = ( is ( c o ) 1 2d 甜) k i ( 静) ；r ； ( 1o ) 最f j 振幅谱均力根与孔穴、卜径的3 2 次斤成反比。 ( 7 ) 在试验巾药最用1 k g 、2 k g 、4 k g 和1 2 k g 进行对比。可以明显的看剑随着 约量的变化，获得地震址录的频率和信噪比足在1 、= 断变化的( 图1 2 2 a 、b ) 。 心- k o - x , 珏- ai 、i ：o 0 ：二曩l ：； ，i h l 图1 2 2 b 某地区不同约 记录频谱番合i 刘 图卜2 3 从试验获得1 k g 、2 k g 和4 k g 药量子波叠合频谱图上明显看 出，激发子波的能量谱随着药量的变化足町变的，8 k g 药量激发能量高，频率 低，主频向低频方向移动，4 k g 药量激发获得能量比8 k g 小，但频率增大，1 k g 激发后能量最小，但是频率高，子波j t 频向高频方向移动。因此药量人，激发 能量强，药量小，激发能量弱。并且激发药量的大小直接影响激发谱巾高低频 的分布，药量大，低频能量增长的快，相对强，高频能量增长的慢，相对弱。 药量小，低频能量增长的慢，相对j f 缓，子波的主频向高频方向移动。大药量 激发破坏性大，能量损失大，产生的虚反射、次生干扰也强。 s h a r p 从理论上证明了爆炸产生的震源子波的振幅与孔穴半径近似成i e 比，而震源子波的视频率则与孔穴半 径近似成反比。在离开药包的距离超 过孔穴半径几倍时，震源子波与孔穴 半径的关系是比例缩放关系，孔穴半 径增加一倍，则震源子波的振幅也增 大一倍，沿时间方向也拉长一倍。 上述关系是在理想情况下推导 的，即假设介质是均匀的和完全弹性 的，孔穴是球形，另外对作用于孔穴 1 i 划卜2 3 不同约挝频谱曲线对比图 ( q 分别为8 k g 、4 k g 、l k g ) 内壁的压强函数假设足阶跃函数，这些条件都只能近似满足。 图1 2 3 中画出孔穴半径l ：2 ：4 ( 或药量l ：4 ：8 ) 的三个震源子波和它 们的振幅谱。由此可得到以下关系： 子波幅度与孔穴半径成正比，即与药量j 、：7 = 方根成正比。 子波视频率与孔穴o | ，径成反比，即与约量的立方根成反比。 振幅谱峰值频率与孔穴半径成反比，即与药量的立方根成反比。 振幅谱峰值幅度与孔穴半径的平办成正比，即与药量的2 3 次方成正比 高频振幅与孔穴半径成上f 比，即与药量的立方根成正比。 均方根振幅与孔穴半径1 5 次方成i f 比，与药量的平方根成正比。 高频振幅与均方根振幅比值与孔穴半径、f 方根成反比，即与药量的l 6 次 方成反比。 一= 由此可见：增大药量的结果振幅增大，低频成分增大比高频成分快，高频 成分虽也有增大，但所占比率反而减小。 可以看出地震记录上高频减弱的原l 大l 不仅在于传播过程中的衰减，震源子 波本身也有高频减弱的作用，药量越大，这种效应越明显。还可以看出，震源 子波还有低截作用，药量越小，低频缺失越多。 衡量某种激发方式效果好坏的依据除能量、主频及频宽外，还有地震波 传播的方向性。减小方向性主要可采用两种方法：第一、点源激发；点源激 发虽然可以较好地解决地震波传播的方向性，但由于受井径的限制，药量不 可能很大，总能量较低，对中深层反射勘探不利。第二、延迟爆炸激发；延 迟爆炸激发由于可以人为控制各个炸药的起爆时间，因而可以在一定程度卜 通过改变延迟时间或炸药间距来改变地震波传播的方向性，从而在不影响地 震波能量及其分辨率的前提下使地震波方向性的影响达到最小。 在实际的地震勘探中震源激发效果还受到药包深度、药量、炸约形状、 组合方式和组合距等冈素影响。这螳【大j 素的影响随着近地表和炮井条件的不 同而不同，但仍具有普遍规律。 1 3 炸药形状 地震勘探中，炸药的理想形状应当是球形，实际应用中往往采j j 柱状炸 药或其它形状的炸药进行激发，从而使地震波场的分布变得更为复杂。采用 这几种形状的炸药进行激发时，由于炸药爆炸后产生的孔穴不是球形，必然 使部分爆炸能量转化为剪切波能最，川时如果孔穴过长，孔穴下部的松散 介质还会吸收从孔穴上部传来的下行波，削弱地震波能量。 炸药的不规则性带来的另一个影响足地震波传播的办向性，山于炸药形 状不规则，爆炸产生的能量对空穴四壁的作川力不同，从而使过渡；淞以外箨 质点振动的幅度和方向产牛差异，造成地震波传播的办向：陆，影响地震剖面 的一致性。改善这种力向性的方法之一足采j f j 延迟爆炸激发，延迟爆炸激发 时，每节炸药都可以看作点源，当地震波传播速度i f 好等丁炸药激发速度， 且各点源炸药所产生的空穴之间距离较人时，孔穴下部的疏松介质对f 行地 震波的吸收影响最小，此时剪切波能量也最小，垂商向下传播的地震波能量 最大。 1 4 药包深度 最佳药包深度町根据虚反射滤波特性来确定。其基本坞i 理足炸药爆炸 后，产生的振动向四面八方传播，对于所关心的卜行波，它由两部分纰成， 一部分足从震源直接向卜- 传播的振动，多j _ 一 = | j 分足先向 ：传播，? ，i 遇剑表层 强界面时，再向下反射的振动，其r 1 ，也包括在农层内多次反射最后向下传播 的振动。对反射记录而者，入射波足这两类卜行波的总和。这两类卜行波瓦 相干涉，形成了入射波的频率特性。考虑药包i ：力为均匀介质情况，假设不 存在波的吸收，此时，地表的反射系数为一1 ，这样n 接f 行波与次牛f 行波 幅度相同，极性相反，且有一个n 、j 差，这一时芹引起各频率分量产：生小同的 相位差，在相一j 的时芹内，低频成份引起的相位筹小，_ 二者相加( 【大l 极性相 反) 振幅很小；随着频率增高，相位芹逐渐增大，4 4 j 加振幅逐渐变人；到某 个频率，相位差刚好是1 8 0 度时，干日加振巾； i 最人；频率再增高，相加振幅又 逐渐变小，这样下行波的频率特性足一个剧期函数。如果约包深度比较浅， 直接下行波与次生下行波时差较小，则在使刚的频带内频家特性只有一个极 值，极值处频率所对应的刷期为一 ：述时差的两f 7 , - ，即井l j 枪波器初李时间的 四倍。实际情况下，药包上方为非均匀介质，且介质具有吸收f i - j f l ，频率特 性曲线变得相当复杂，但确定最佧激发j ! ；i 度仍较简单，实际j ：作t l j ，町利j 羽 双井微测井的方法获得的虚反射界而确切的深度，计算虚反射界面的滤波特 性曲线图上，根据频谱的乎稳性及其宽度来确定最佳激发深度。 2 特殊震源的类型及激发方式 通过对震源的激发机制的研究，结合高分辨率勘探的特点，我们设计试验 了垂直延迟迭加震源、爆炸地震锤、聚能震源弹、两弹对撞震源和细长药柱五 种震源系列。 2 1 垂直延迟迭加震源 按照高分辨率和深层地震勘探的要求研 一 l f 级 制成的地质勘探定向爆炸延迟迭加震源，是 li l l2 缀 由多个单元定向爆炸，并且从顶端起爆，夭1| l 而使爆炸各单元之间的延迟速度可近似于地 恻极 震波在周l 嗣介质的传播速度；依次爆炸，使 在垂：直向下方向上爆炸各单元产生的波前而 图2 1 延迟迭加震源激发示意图 重合，而垂直向l 方向l ，波前面相差较人距离，从而达至t l d l 强了向下能量， 压制了上1 专- i i 量。有效地压制了向l 的而波和虚反射；并且采用了高爆速、高 猛度、大威力炸药和厚壁高强度金属外壳，以及先进的激发传爆机理，提高了 爆炸后形成地震波的频率。该震源还町根据不同地质情况的需要，调整各单元 激发震源之间传爆延迟时问，并可根据f i 司要求进行二单元、三单元、多单元 的组合，扩大了应用范围，增加了使用灵活性。该震源已获得国家专利，专利 号为9 7 2 4 5 5 5 6 6 ( 图2 1 延迟迭加震源激发示意图) 。 2 2 爆炸地震锤 聚能震源弹仅使炸药爆炸产生的射流物质沿轴线汇集向f 射击地层，而真 正能够转换成地震波的能量不大，该种聚能震源弹虽有聚能向下的作用，但产 生的能量大部分用米以穿透地层，j 飞有爆炸产物射击地层刚的摩擦力产生地震 波，能量利用很小一部分。为了研制利t 允分利川炸药爆戈i - j 生的能量来转换 成地震波的震源，并且能够解决特殊地震勘探t 卜在复杂地表区的激发i 、u j 题，同 时激发的地震波要具有较高的频率，研制成助了爆炸地震锤震源，它足爆炸射 流抛射锤头撞击地层，产牛振动，从而产7 i - 地震波。爆炸地震锤已获得国家专 利，专利号为9 7 2 4 5 5 5 7 4 。 2 3 聚能震源弹 为了降低或消除炸药爆炸瞬问对剧| 书l 介质的强烈冲击而造成的破坏；以 及减缓地表质点的振动速度。从而保证在楼房建筑近趴离使用该震源有绝对的 安全性，同时又町保证使用能获耳义较为理想的地质资料。要实现 二述构思要求 爆炸必须增加f 传能量( 有效信号) ，减少对地 面的冲击。要达到这利，激发效果，经过分析研 究，采用了定向聚能的原理，研制 l 了定向聚能 弹，使激发的能量集i 十i 向一卜，减少了对地而设施 的冲击，达到最初的同的。图2 - 2 足特殊震源聚1 最? 纂能淼巍蠹淼熹篙t 能弹的结构示意图，主要由护盖，密2 - , j 斟，装药弹体，密封槽，密封盖几部分 组成。 2 4 两弹对撞震源 为了充分利用震源爆炸后产生的激发地震波的能量，采川聚能的历i 理在震 源的两端同时激发两个约包，产生射流在震源中 间聚合产生强大的冲击波( 图2 - 3 两弹对撞震源 激发示意图) ，从而提高高频能量。 2 5 低爆速细k 药柱 l 刘2 - 3 两弹对撞戊源激发玎意图 点状震源能在瞬问放巨大的能最，对剧l 词岩土的破坏性大，转变为地震 波的能量相对减少，但足，由于这种震源足在瞬问完成的，所以激发频潜相对 较宽。另外，还具有能最在球面上分自j 均匀的特点。 对长药柱采用顶端起爆的正向激发方式，可把它简化为多个等药包的组合 爆炸，当爆速等于药柱附近介质速度时，各药 包的波前面在垂直向f 的方向上足同相叠加 的，垂向应力成倍增，而在其他方向上各药包 波前为异相，显示出很强的定向性，有利于纵 波的激发和传播。图2 4 表示了正向激发长药 柱的定向性。因此呵以说药柱愈长，定向效应 愈明显。根据长药柱的定向性可以计算应力分 图2 4 细艮约杠激发示意图 布。确为药柱与向下传播射线的夹角，称为观测方位角，当波的传播时差等于 激发延迟时，可得： c o s o = vl v 2 确也是波前包线与水平线的夹角，即强应力区位于与水平线成确的波前 共切线上，随速度差变小，确也越来越小，直到v i - - v e ，确为零度，此时长药 柱激发后达到的同相迭加性最好。 细长药柱呈线状形式，分布范围较人。采用正向激发方式，震源的爆速 n 与介质的速度既相等时，约柱越长，垂：f t 向下的应力越强，定向性越好，越 有利于纵波的激发和传播，频率成分丰富，越利于突出中、深层的反射，也越 利于压制面波、虚反射及表层环境噪声，可提高信噪比与分辨率；反之如反向 起爆，应力集中向上，将会产生强的干扰。 当震源的爆速n 与介质的速度既相等时，药柱总的爆炸时差为零，不会产 生低频响应，随着爆速n 越人于介质的速度吻，定向性越差，低频响应也越严 重。 因此，细长药柱的使用效果，关键在于选择合适的药柱长度和爆速。 ： 1 i 赇旋溯试验l 符_ i = = | 刈【匕，【j 【| 心】i i 设u ! 置i , i if l 延巡j j l j l l 。i 讪n lf i j ! | 1 埘0j 。洲! 刈【e 迎j r i 小地卜( m - 0 证制刈比分惭血纠。约q rj ii l ，l 波较删l i - i 从反射层的能最、连续性、记录，i 亍景以及反射波的频宽等品质来看，垂 ! 卤延迟迭加震源的倍噪比和分辨率郜比普通炸药仃明显的提高，垂直延迟迭 加震源激发后获得地震信号高频成分丰富，波组特征明显( 图3 一卜2 ) 。 从两种震源的激发能量上。n i 以行，亚“延迟迭加震源由于采j - h 延迟迭 加和利用小药量激发与人药量的普通炸约激发相比在能量上有明渺的差异， 垂汽延迟迭加震源比普通震源能量强，频率也自很大的提高，从整体而貌上 来看，信噪比有j ，明! u ! 提高。 图3 1 - 3 是延迟迭加震源和普通炸药激发后获得的1 0 - 1 5 s 时窗频谱记 录上分析，该延迟震源激发后频带较宽，一般在o - 2 0 0 h z 。高频成分的能量 较强，主频较高，一般在8 5 一l o o h z 左右，而普通震源的主频一般在4 0 h z 左 右，因此延迟迭加震源激发地震波的t 频比酱通震源高两倍；频带较宽，比 普通震源频率提高8 0 h z 芹右；高频的能最相对高，比普通震源高3 0 - 4 0 h z 。 r 、v ”t ： 、 、 ：t ? ， 、一 _p 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 h i 05 0 1 0 01 5 02 0 02 5 0 b z 瞥通震源延迟迭加震源 图3 - 1 3 艰育延迟迭加震源f r ，通炸药震源子波对比记录 竿通震源延迟迭加震源 0 0 - = 一一= 0 0 = = = = i= 一 一 一 一 一一 二三“。 。 一 劁3 1 4 乖直延迟迭加震源f j 泞通炸约震源子波对比记录 垂直延迟迭加震源的子波窄，而普通震源的子波比垂直延迟迭加震源宽。 f!i了! t i w 此，m 延迟迭j j u 震源激发后州以挟褂高频l 。c 洲地族波( 圈3 一卜4 ) 。 影响延迟爆炸激发效果的。个承婴参数足炸药之问的1 向距离，即极问 趴，实际试验资料我明，棚川药醍和激发厅c 卜，小的擞间距会使地震波 的 频和频宽j “牛变化。 图3 一卜5 为延迟级数柑h 而掀问趴小叫的野外址录，n j 以朽，小川撇 f h h 3 一i5 延巡绂数州川向枨川m 小l i d 加野外l l 求 h ：p l _ h 计伯- j 地j 浊帅天乐h 间距_ f 地震波的频i 是有筹划的，药节为公j 一叫，1l mf f j 极川剧，所产乍的 地震波频带较宽，这是为“1 极f n 川，过小时，炸药爆炸所，乍的伞穴丌棚近 通，从而使卒穴内的肮松介质加人，地震波高频成份的吸收作川，导数高频 成份的损火。州| | 寸j 二个檄问趴棚诈小人，而延迟| | 寸问义与地震波在炸药 之问的f 播叫问人数相等，敞此叫起i - 婴作川的址宁穴内疏松介质对地震波 高频成份的吸收作川。洲此在地震波1 e 插时问与延迟时间人敛相等的情况 卜，野外施一心聚川较人 发问趴为1 【j 。 由丁板问距是与炸约爆炸的延迟1 卜j 问相联系的，增人极问趴必然婴增人延 迟时间，而延迟时间的增人义会甘敛入射珀对地震波波形及其频谱的影响增 人，从i 町使人入射彳f j 卜的地震波波形发7 i - 畸变，小利 i 人偏移距勘探。图3 - 1 6 为5 级延迟下，撇问距分j ；| j 为2 水和i 米叫，入射角与地震波频宽的关 系罔。”1 饭问础r 为2 米时，入身= 角埘地震波频宽的影响岍址增大，特别人入 射j f jr ，频宽的变化砬超过l3 h z 。 乖九延迟迭力震源还n ，以根据小同的要求，适“1 的增加延迟个数，达剑既 增加激发高频的能鲢，义增加地震波( j 频率。在1 ：旧地区的试验结果表明， 三延迟的效果要好丁叫延迟和二延迟，二延迟震源的频率较高，背景清晰， 干扰小。这是嗍为在小j 叫的地表条 l - 卜激发，婴适。的考虑激发深度和激 技岩性的问题，合删训整激发的延迟述度与f t ；i 岩的速度柑匹配，爿能更好的 激发高频牢、高能量的地震波( 罔3 - 18 a 、b ) 。 篓 p q 一缎em 闰318 a 小延逃避如谳的对比 旧 h ：j _ 1 8 a 币h 延迟逃加j s 游的列比记采 从研究的胜利探区地表调查的结果 右，而激发的深度般取在虚反剁界 而以卜i 米牟右，) f 儿选样较蚶的睃 泥层中激发，延迟速度严格与激发刖 岩速度相匹酉己。附图3 1 7 为采川与 激发介质速度相同的延迟速度对比单 炮记录，从记录上n ，以看 ，延迟的 速度与介质的速度吻合时，激发的地 震波能量和频率都相对高。 降速层的速度般存17 5 0 m s 定 黧 1 7 4 0 m s 2 0 0 0 m s 劁 _ 卜7 咂“延迥逛加如泓r 不蝶建激发对比“录 延迟时问与地震波在炸药之问的传于罱i i 、1 问相等时，激发效果最好延迟 时间过火或过小部h i 能实现年向f 行波的川牛廿迭加。极问朋叫、曲过小过小 会增人岩石破砰特、卜径，增人消耗在岩石做碎i 的能最，减小f 行波能量； 夏 川| 1 、f 还会使地震波i - 顺和频宽降低，影响延迟爆炸帕激发效果。极问i t1 4 i h ： 过人，过大会影响人偏移趴卜浅层反9 或折射波频率，他地震剖而的毁性 变差。同时还会增加施1 成术。，u 竹约最小川或激发岩。h i , i , 川t l , t ，心选取h i 刚的极问趴。单仃药最增大，极问趴心增人。野外试骑资料的分析认为，在 某地区进 j ：l l , i 延迟爆炸激发，。1 单仃药f 矗为公斤f h ，极问捌为l 米i f 、f 较 好，对心的延迟叫问j , jo 5 毫秒。 j 4 o j 、 l 渤 紫誉闲寻 、- 嗣置 幽： _ 1 一g 小 d 逛j 出世数振城 值半州曾仇挂i 划；_ i _ 1 0 小【日赴迟级数$ 特赶膻、h m 值线 网3 - 卜9 为小川延迟级数卜地震波振岍最人恤的、r 而等他线罔。”，见， 延迟级数小i d ，入剁f | 对地震波振幅的影响规律4 ；同，延迟级数越人，入射 f ( | 的影响越人，对1 i3 、4 、5 级延迟水说，八劓加埘地震波振幅的影响极jl 微小。“1 延迟级数较人_ | 、f ，入射加的影响电小丁o1 。 罔31 1 0 为延迟级数、入射f | 、频 斑度的天系曲线，当入射角小 1 0 度时，入射f f 对地震波顺刊 宽度小，。叫强纠自；入射角介于4 0 度和6 0 度之问 时，九级延迟对地震波频宽影响最人，频宽约减小0 0 2 5 h z ；入射角为9 0 度 时，频宽的最人减小岢约为06 1 1 z ，j c 余延迟级数或入射角卜频宽减小品均 显著小于此值。 “入射们介 j3 0 俊和6 0 皮之问】叶，入射妇埘地震波波形及 l 频谱的影响 旧旧旧m旧1_? _ * 一 小于2 。不同延迟级数下，入射角对地震波波形及其频谱的影响不同，延迟 级数越大，入射角影响越大。由于合适的延迟时间能够减小下行方向上和源 点所激发的地震波的相位差，相同入射角下，地震波波形及频谱的变化量小 于多井组合激发情况，说明在地震记录的一致性方面，时延爆炸激发优于常 规的组合激发。 多井组合激发时，由于参与组合的并震源处于窄问不同位黄，它们所激发 的地震波在窄问各点不能实现完全州相迭加，其波形及频谱会随着入射角的 变化而变化。有5 井组合激发，井间距2 米，与5 级延迟爆炸激发时( 极问 距2 米) ，则其频宽与入射角对应的关系见图3 - 1 - 11 。 位2 2o t l 8 l l6 n 子4 1 假4 12 曝1o 棚e 6 图3 - 1 1 l5 升组合与5 级延迟激发频宽 与入射角对廊父系 5 k gy c s j _ lk g 图：3 1 一1 2 5j i ：- - 幺h 合与5 级延迟激发原始记录 多井组合激发时，大入射角下地震波频宽的减小幅度较大，这种激发方式 下，入射角对地震波波形及频谱的影响较严重，与之相比，延迟爆炸激发则 好得多，其原因在于各炸药爆炸的延迟时间减小了地下质点处各波前面之间 的相位差，改善了记录质量。见图3 一卜1 2 。 垂：直延迟迭加震源由于采用了与激发介质速度耦合的乖直延迟迭加方式， 增加了下传的高频能量，减少了 ：传十扰波的影响，对于玉制十扰效果明 显。 i 雩】31 1 3 为币“延迟迭加震源和普通震源削而对比，川以打，延迟迭 力剖面l 螂! i l ! 比普通震源频率高，坛m 倍，心 ：0 i ，【 | | ： 消祈、n r 靶，价噪比 高，达剑r 提高资利分辨牢的 的，墩甜r 较且的效粜。 凹i j i1 ： 延进地j 芝徘。，t f 旭蚱曲刑而时比 延迟迭力震源| i 前使的足爆述适一i ，、拍猛艘、低破坏的特殊炸药，配合 低成木高刚性的包曲壳体，此震源n 激发时典自良好的耦合特一忖，使得该 震源在高分辨率地震勘探和椿层地震勘探，以进行人而私l 的押 广心h j ，并 且n ，以f 、ij h 丁复杂地裘的激发，魁今后地震勘探领域内较碰：乜! 的激发震源。 3 2 聚能震源弹和普通炸药震源对比 橄捌普通震源与聚能震源弹对比记录i 。分析，聚能震源弹扶褂资棚n ：j 颁 成份十富，- l ，浅层的地信号的信嵘比明! 止比普通震源高，波纽天系清楚， 2 5 0 9 的震源掸效果域好( 1 纠3 - 2 1 ) 。从激发后坩地发的破坏作川效果米行， 聚能震源弹山 。采刚r 聚能的特。1 ，允分利川r 爆炸的0 能毹，肌制 的能量，所以划地农的震动小，抉f + 朋0 地震信号的伸螗比和$ 9 1 ： + 捉- ：葛。利h j 聚能震源弹解决厂城镇、丁积业密岔i 【蔓“ 复杂地农的地盘舢探使胜利汕丌 的野外采集已经i 自也：复杂地我小i = 地水、h 在地震助株领域几何内领先 水、卜。 l q ：j2 1 f f 越 ：谢r oj 聚能忡l l ， 比 。聚能震源弹粟川聚能激发的原耻，nj 泛川于城镇、i ，农业密集区、j i i 流、水库等特殊地裁n j 激发。图3 - - 2 2 ( a 、h ) 为在某地区施工的新、老剖 讯f 对比，使j l 聚能震源后，填补r 该i 苎的资料审白，取得r 较好的效果。 削322 a 求川米能成幽忡河削川刮： 一22 b 采川泉能忡肝尝削断 3 3 地震锤和普通震源对比 从地震锤系列试验的效果来开，_ ； i 荇地震锤的曲量的增加反射波的能量 也增强。罔33l ( a 、b ) 足地震铈与普通震源的单炮对比记录和频谱、能 量对比记录，从址求对比效果分析，定向地震锤激发后扶得资料的信噪比较 高，增加r 有效地震波的能量，减弱r 爆炸带术的1 扰和埘地面的