（地球探测与信息技术专业论文）陷落柱三维地震勘探数据采集优化设计.pdf

太原理工大学硕士研冗生学位论文 陷落柱三维地震勘探数据采集优化设计 摘要 陷落柱作为一种灾害地质体，通常隐伏散布在华北晚古生代含煤岩系中， 其存在规模、危害程度和勘探难度丝毫不亚于早已倍受关注的断裂构造。陷 落柱的存在破坏煤层的连续性，构成煤矿采掘工程的障碍，产生冒顶、突水 事故。煤系陷落柱已成为煤田地质勘探领域的主要难题和高产高效高安全现 代矿井建设的主要障碍。因此，提高陷落柱勘探的分辨率，从而提高其勘探 精度显得迫在眉睫。 本文从陷落柱勘探的物理基础出发，分析了陷落拄与围岩之n u 的天系， 陷落柱在地震剖面上的反映以及其断陷点的绕射波时距蓝线。从地震分辨率 的定义f f 5 发，探讨了影响陷落柱勘探分辨率的冈索以及陷落柱对分辨率的要 求，对于任何物探方法，精度的提高和成本的降低都足由数据采集开始的， 地震勘探也不例外。因此，本文从地震波激发、接收及观测系统设计几方面 进行了具体分析，以达到数据采集参数优化设讨+ 的f - 1 的。 在激发参数方面，激发子波、激发岩性、激发深度、激发药量、炸药类 型和激发组合等因素，都直接影响了采集资料的信噪比和分辨牢，本文进行 了尝试性的探讨；在接收条件优化问题上，主要就柃波器与人地耦合及检波 器连接方式进行了探讨。 在观测系统设计上，论述1 r 陆上常用不同类型观测系统的优缺点、观测 系统参数选择的原则。研究了基于地震地质模犁的陷落杠删测系统漫计：即 如何建立陷落柱地震地质模犁，利用射线追踪对观测系统进行质量分析，从 太原理工大学硕士研究生学位论文 而优化观测系统设计，并通过模型验证了其可行性。 结合理论研究，在山西一龙泉地区有针对性地作了验证，取得了良好的 地震资料，按质按量地完成了地质任务。 关键词：陷落柱，三维地震勘探，地震分辨率，数据采集，射线追踪 太原珲_ l ：大学硕士研究生学位论文 o p l l m a ld e s i g no f3 ds e i s m i ce x p l o r a t l 0 nd a t a a c q u i s i t l 0 n0 fc o l l a p s ep i l l a r a b s 7 i r a c t s c o l l a p s ep i l l a r ，a sak i n do fh a z a r d sg e o l o g i c a lb o d y ，u s u a l l yd i s p e r s e di nl a t e p a l e o z o i cc o a l b e a r i n gf o r m a t i o ni nn o r t hc h i n a ，i t s s c a l e ，d a m a g ed e g r e ea n d e x p l o r a t i o nd i f f i c u l t ya r ea si m p o r t a n ta sf a u l t ，w h i c hi sp a i dm o r ea t t e n t i o ne a r l i e r t h ee x i s t e n c eo fc o l l a p s ep i l l a rc a nd e s t r o yt h ec o n t i n u a t i o no ft h ec o a ls e a ma n d c a u s er o o ff a l l i n ga n dw a t e rb u r s t i n g i ti st h eb a r r i e ri nc o a lm i n i n g c o l l a p s e p i l l a ri nc o a ls e a mh a sb e e nt h em a i nd i f f i c u l t yi nc o a l f i e l dg e o l o g i c a le x p l o r a t i o n a n dt h em a i nb a r r i e ri nc o n s t r u c t i n gh i g hy i e l d ，h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hs a f e t y m i n e s t h u s ，i m p r o v i n gt h ee x p l o r a t i o nr e s o l u t i o na n de x p l o r a t i o np r e c i s i o no f c o l l a p s ep i l l a ri se x t r e m e l yu r g e n t t h i sp a p e rs t a r t sw i t ht h ep h y s i c a lb a s i s ，t h er e l a t i o no f c o l l a p s ep i l l a ra n dt h e s u r r o u n d i n gr o c k ，t h er e s p o n s eo fc o l l a p s ep i l l a ri ns e i s m i cs e c t i o na n dd i f f r a c t i o n t i m ed i s t a n c ec u r v ea tt h ef a l l i n gp o i n t sw a sa n a l y z e d t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h e e x p l o r a t i o nr e s o l u t i o no fc o l l a p s ep i l l a r ，t h ed e m a n d so fc o l l a p s ep i l l a r ，a n dt h e r e s o l u t i o nw e r ed i s c u s s e db a s e do nt h ed e f i n i t i o no f s e i s m i cr e s o l u t i o n t h e i m p r o v i n go fa c c u r a c ya n dt h er e d u c t i o no fc o s ta l ls t a r t sf r o md a t aa c q u i s i t i o nf o r a l l e x p l o r a t i o nm e t h o d s ，s e i s m i ce x p l o r a t i o ni s n oe x c e p t i o n s o ，t oa c h i e v et h e 太原理工大学硕士研究生学位论文 o p t i m a ld e s i g n o fd a t a a c q u i s i t i o n ，s e i s m i cw a v ee x c i t a t i o na n d r e c e i v i n g ， d e s i g n i n go ft h eo b s e r v a t i o ns y s t e mw e r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h ee x c i t a t i o n p a r a m e t e r s ，d y n a m i t e s o u r c e w a v e l e t s ，d y n a m i t et y p e s ， e x c i t a t i o nd e p t h ，e x c i t a t i o nc h a r g ea n de x c i t a t i o nc o m b i n a t i o na l li n f l u e n c e st h e s i g n a lt on o i s er a t i oa n dr e s o l u t i o no fa c q u i s i t i o nd a t a ，t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h e a b o v ea s p e c t s ；t h ec o u p l i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h eg e o p h o n ea n dt h eg r o u n d ，t h e c o n n e c t i g np a t t e r no fg e o p h o n ew e r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r i nd e s i g n i n go ft h eo b s e r v a t i o ns y s t e m ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f d i f f e r e n to b s e r v a t i o n s y s t e m u s e do n l a n d ，t h ep r i n c i p l e f o r c h o o s i n g t h e p a r a m e t e r so fo b s e r v a t i o ns y s t e mw e r ed i s c u s s e d t h ed e s i g n i n go fo b s e r v a t i o n s y s t e mo fc o l l a p s ep i l l a rb a s e do nt h es e i s m i c g e o l o g i cm o d e la l s ow a ss t u d i e d ， t h a ti sh o wt ob u i l ds e i s m i c g e o l o g i cm o d e lo fc o l l a p s ep i l l a ra n da n a l y s i st h e q u a l i t yo fo b s e r v a t i o ns y s t e mb yu s i n gr a y t r a c i n gm e t h o d ，t h e no p t i m i z e st h e o b s e r v a t i o ns y s t e md e s i g n i n ga n dv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d l e i ns h a n x i l o n g q u a nd i s t r i c t ，t h ep r a c t i c ea n d t h e o r yw e r ev e r i f i e ds p e c i a l c h a r a c t e r i s t i c s ，g o o ds e i s m i cd a t aw a sa c q u i r e di ns h a n x i l o n g q u a nd i s t r i c t ， q u a l i t ya n dq u a n t i t yr e q u i r e m e n t sw e r ef u l f i l l e di nc o m p l e t i n gt h e i rt a s k s k e yw o r d s ：c o l l a p s ep i l l a r ，3 ds e i s m i ce x p l o r a t i o n ，s e i s m i cr e s o l u t i o n ，d a t a a c q u i s i t i o n ，r a y t r a c i n g 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体。均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：氇! 立翌! 日期： 切7 ， 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的。 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：镌尘叫日期：三翌7 导师签名： 朝嵫 日期：兰9 ，舌 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的意义 第一章绪言 中国是世界上以煤炭为主要能源的少数国家之一，煤炭在一次能源生产和消耗结构中 约占7 6 【l l 。在相当长的时间内，这- - “b 6 源结构不会有大的变动。煤炭生产为了安全、高 产、高效，要求提供精细的地质结构。 陷落柱作为一种灾害地质体，通常隐伏散布在华北晚古生代含煤岩系中，其存在规模、 危害程度和勘探难度丝毫不亚于早己倍受关注的断裂构造。陷落柱的存在破坏煤层的连续 性，构成煤矿采掘一 程的障碍，产生冒顶、突水事故，例如，l 滦范各应矿，安刖铜冶煤 i f ， 河北会牛能源东庞矿都发4 1 过严重的突水事故。因此，煤系陷落柠已成为煤f e | 地质勘探领 域的皇爱难题和高产高效高安全现代矿井建设的主要障碍。而台探测陷落杜与面，除，采 用传统的钻探、电法勘探手段，还发展电磁波透视仪、槽波地震勘探、地质雷达，煤磋钻 探等片f 探测技术，并将地面j 维地震勘探代替二维地震勘探膨用于采区工作确的地质 勘探中，红i f 原地区勘探效果比较理想，但山区受地形、浅层地震地质条件等限制，出现 了种种m 题，在一定柙度 = ； 【蟛了三维地震勘探方法的推广与应用。 传统的钻探、电法等勘探手段已难以适应采区精细勘探的要求，片f 探测技术在时效 上又显得过分滞后。因此，= 维地震勘探成为探测采区陷落 e 的重要于段。但是，i 维地 震勘探狰精度上尚还小能达到地质任务的要求，经常出现对陷落十 的误判，提高- - 一维地震 勘探在中蹦酃煤矿勘探的精度就显得追在眉睫。作者认为，问题的关键是对陷落柱本身的 地质模型了解不清楚，加t 山区由于地形高差起伏较大，如何优化设计采集参数以满足精 度的需受就显得尤为重要；因为精度的提高和成本的降低都是山数铡聚集，f 始的。i f 如人 家所熟知的一样，高分辨率地震勘探是个系统1 程，地震分辫；簪的提高需要地震采集、 处理和解释各个环节的改进和提高。不过，处理方法和解释技术改进的极限均受限制j 野 外采集，只f i 采集获得r 所斋要的有效的地震信息，后继的处理和解释方法的改进 能获 得颤期的效粜，订则，即使再能一r 的处理人员和再有经验的解释人员也筹莫展。阗此， 野外数据采集存整个高分辨率勘探中是最基础的，也是最重要的。 因此，作者选择从陷落村地质模型和分辨率入手，分析探时了影响陷落柱勘探分虏率 太原理：i 大学硕士研究生学位论文 数据采集的各个环节，并通过陷落柱模型进行射线追踪，指导地震观测系统的优化设计， 对提高中西部煤矿采区的勘探精度有重要的指导意义。 1 2 陷落柱地震勘探研究的现状 煤系陷落柱是中国特有且多数隐伏的大规模地质现象，是煤系下伏灰岩中的大跨度溶 洞发生持续向上的塌陷所产生的、三维形态呈柱状的塌落岩块堆积体，通常隐伏散布在华 北晚古生代含煤岩系中【“。就作者了解的资料显示目前在陷落柱的分布规律的研究上取得 了一定的进展，如李海涛p j 通过对西山岩溶水系统演化进行模拟，得出陷落柱多发育在多 个岩溶时期内强径流带的叠置区，对三维地震勘探采集参数的选择、以及生产都具有指导 作用。但是这毕竟是一个群分布规律的研究，要想精确探测陷落柱的具体位黄，还必须借 助于物探手段。 三维地震勘探以其r 岛分辨率、高信嗓比、高测网密度使得探测直径为几 米甚至更小 的陷落柱成为可能。在要求助探向深度和广度进军的同时，从事煤r e l 地震勘探的研究和生 产单位相继进行了陷落枉专题方两的研究。比如，杨德义i 】等人通过对陷落柱断陷点的 绕射波时距曲线及数学模型的研究，提出了延迟绕射波是陷落柱的标志波，探讨了陷落柱 在地震三瞬剖面_ 碲l 拟层速度剖面上的反映特征，以及利用特征剖面研究陷落柠要素的方 法；肖建华1 6 肄人提出了时问域的粘弹性和空l 司域的各向异性是解决陷落柱和小构造的关 键因素；宁建宏用等通过地震资料解释的研究与实践，对华北石炭二叠系中的陷落柱的地 震识别技术及其应用情况，进行了较系统的分析和总结；综合物探技术1 8 - 9 1 ；方差体技术 在陷落柱解释中的心用等，这哆研究都对陷落杠的探测起到了很积极的作用。 在地震采数分析方面，梁秀文、郑永乐等| 1 1 l 、钱荣钧、阎万朝【1 3 】等学者i t 地震采集 参数优选进行了研究。基本出发点是，根据勘探工区的表层结构和地下的目标层信息，选 定典型的分析点，分别建莎表层结构地球物理模型和地下结构地球物理模型，进行采集参 数分析和确定。表层物理模犁包括表层的低速度、降速层的速度和厚度，通过计算不同深 度激发能量及频率衰减变化情况，虚反射叠加响应特征，子波形态等，进行对比分析，确 定最佳的激发深度：地球物理模型包括t 要日的层的深度、双程反射时、叠加速度、层速 度、主频率、最高频率，并兼顾深、浅层资料，确定地震采集面元尺寸、排列长度、道间 距等观测系统参数。 在观测系统设i f 力面，a n d r e a sc o r d s e n | 1 4 】等等7 者对陆上三维地震观测系统的设计和j 沲 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 工进行了全面而系统的介绍。总结了目前最新的采集方法技术和观测系统设计方法。将三 维地震采集视为一个勘探工程，从筹划、资金、设计、施工等方面进行一体化考虑，重点 介绍了三维采集参数的确定和三维观测系统的类型及各自的优缺点，同时讨论了静校正、 速度分析等方面与观测系统的关系。近几年也有一定的研究，比如，可分面元三维观测系 统l n l 6 1 、成组加密法宽方位三维观测系统【、三维三分量地震观测系统1 1 8 】等，在常规三维 地震观测系统上有一定的突破。国外利用射线追踪方法来模拟和优化野外三维采集设计， 尤其是对一些复杂的勘探区域取得了显著的效果【1 9 删。 三维地震观测系统设计软件采用绿山软件、克浪软件、o m n l 软件。目前，煤田采区 勘探主要足采用的绿山软件，其观测系统设计保证排列片纵、横比为0 6 1 之问，设计简 单，易于施工，能及时提供同一测区不同类型观测系统予以选择，使优化设计变成了现实。 1 3 研究思路 要提高陷落柯勘探的精度，必须是建立在对陷落柱的地质特征清楚了解地基础之上。 近年来，在困家自然科学基金项目4 9 7 7 2 1 3 3 的资助f ，存基会申请人郭敏泰教授的带领 f ，华北芒；溶帑落杠课题组在经费缺乏的情况下，对陷落杠的研究取得了实质性的进展 【2 1 - 2 4 】。本文以- 青楚了解勘探对蒙的基础上，从分辨率的角度入手，对采集过程中激发予波、 激发岩性、傲发深度、激发药量、炸药类型、激发组合、检波器与大地耦合及检波器连接 力式、观测系统没计等各个环节进行探讨，结合实防、勘探实例，找到提高分彭i 率的方法， 从而进i i 优化设计。 1 4 准备工作 1 4 1 资料阅读 ( 1 ) 阅坟j 7 从期刊网上下载的近1 0 0 篇关于地震勘探的期刊义献和1 0 多篇学术学位论 文。 ( 2 ) 阅凄j ，青天地震勘探的很多书籍，比如地震助探原理、走向精确勘探的道路、 高分辨半地震勘探、地震波场与地震勘探、三维地震勘探技术、复杂山地 地震勘探等传籍，具备了初步解决本课题的知u 储备。 太原理工大学硕七研究生学位论文 1 4 2 野外实践 对西山煤田、阳泉矿务局已发现的地表出露的岩溶陷落柱进行观察描述，参加阳煤集 团新景矿三维地震项目，太原煤炭气化( 集团) 有限责任公司龙泉矿井采集试验。 太原理j = 人学硕士研究生学位论文 第二章地震反射波法勘探陷落柱的物理基础 地震勘探是采用人工方法激发地震波，通过研究地震波在地层中的传播特征，查明地 下地质构造、预测储集层横向变化等构造，为石油、天然气、煤嗣地质勘探开发服务的一 种物探方法。地震勘探利用的是岩石弹性特征，即不同岩性的岩石之间存在着波阻抗的差 异，也即是利用波传播的异常探寻地下的“异常”。陷落柱作为一种地质灾害体，其柱体 岩性与围岩也存在着明显的差异。 2 1 陷落柱与围岩关系 关于陷落柱的研究，太原理工大学精细煤田实验室华北岩溶陷落柱课题组在国家自然 科学基金项目4 9 7 7 2 1 3 3 的资助下，在基金申请人郭敏泰教授的带领下，对这种危害煤矿 生产的自然地质现象进行着有益的探索，取得了实质性的进展，下面引用赵金贵【2 2 】论文中 的地表出露陷落柱实例，以说明其与围岩的接触关系。 ( 1 ) 太原一古交公路3 0 k m 处陷落柱揭露剖面( 图2 - 1 ) 1 4 。 色细砂岩 砂岩 结核：柱体的岩石来自西铭砂岩层t s 附近。 图2 - 1 太原一古交公路3 0 k m 处陷落柱揭露剖面 f i g 2 1t h ec o l l a p s ep i l l a rp r o f i l eb e t w e e nt h eh i g h w a yo f t a i y m mt og u j i a o 从柱体组构的最大塌落距可以分析出：剖面所揭露部位已接近柱顶。 ( 2 ) 太原一古交公路3 2 6 k m 处、畔沟村路边陷落柱剖面( 图2 - 2 ) 5 太原理t 大学硕十研究生学位论文 图2 - 2 太原古交公路3 2 6 k m 处陷落柱揭露剖面 f i g 2 - 2t h ec o l l a p s ep i l l a rp r o f i l eb e t w e e nt h eh i g h w a yo f t a i y u a nt og u j i a o 图中可清楚的看出：硬岩层控制着陷落柱柱体与围岩的接触形态。 ( 3 ) 太原一古交公路旁陷落柱揭露剖面( 图2 3 ) 北纬3 7 。5 4 2 8 8 ：东经1 1 2 。1 4 4 9 0 ； 高程1 1 1 0 n 处陷落柱剖面 图2 - 3 太原一古交公路旁陷落柱揭露剖面 f i g 2 - 3t h ec o l l a p s ep i l l a rp r o f i l eb e t w e e nt h eh i g h w a yo f t a i y u a nt og u j i a o 西柱柱体组构说明： 1 # 为七里沟砂岩； 捕、钳、船、甜、僻、错为风化呈土状灰岩； 斟、错为砂岩，斟大小1 8 x 3 m 。 6 太原理1 ：大学硕十研究生学位论文 灰岩一般都分布在边部，中问为七里沟砂岩。 东柱柱体组构说明： 1 撑为灰白色含细砾石英砂岩，为七里沟砂岩，大小3 x 4 m ，产状3 5 3 。z 2 5 。； 错为七里沟砂岩，8 0 x 8 5 c m ，产状3 3 5 。- - 3 1 。； 嘶为泥岩条带，泥岩块体杂乱，一般长4 5 c m ： 1 0 # 为全风化呈土状灰岩； 5 # 大小2 x 8 m ，2 2 5 。- - 4 3 。 础大小为l x 4 6 m 。 ( 4 ) 新道村边陷落柱剖面( 图2 - 4 ) 图2 - 4 太原古交公路新遭村旁陷落柱揭露剖面 f i g 2 - 4 t h ec o l l a p s e p i l l a r p r o f d e b e t w e e n t h e h i g h w a y o f t a i y u a n i o c , u j i a o 从柱体组构所反映的最大塌落距来看，此陷落柱己接近柱体顶端；出露的层位为p 2 s 2 顶端与p 2 s h 交接处。紫红色泥岩的柱壁角继承了下伏的黄绿色细砂岩的柱壁角。 ( 5 ) t , f l 沟灰岩中陷落柱剖面( 图2 5 ) 灰岩的强度比较大，灰岩呈突兀参差状与柱体接触，控制着柱面的形态 因此，陷落柱与围岩存在着很大的岩性差异，对于地震勘探来说，即存在着很明显的 波阻抗差异。 7 一 dq 一 一 。攀 太原理j ：人学硕士研究生学位论文 1 麟体由灰岩块体( 直径在1 米以上) 、煤块及碎屑、砂岩块体及碎屑、不同颜色的泥岩块体 及碎屑组成，充填物杂乱无章、大小各异、块体的棱角分明。2 # 柱项充填物充填物呈层状。 图2 - 5 太原一古交公路3 0 k m 处陷落柱揭露剖面 f i g 2 - 5t h ec o l l a p s ep i l l a rp r o f i l ei ny u m e nd o n g a 2 2 陷落柱时间剖面反映特征 由于陷落柱与围岩存在着明显的波阻抗差异，在时间剖面上也有其自身的特点，以下 用实际陷落柱例子予以说明。 图2 - 6 为阳泉新景矿芦南二区中部高岭村旁己知陷落柱实拍相片。 图2 - 6 山西阳泉高岭村旁陷落柱 f i g 2 - 6t h ec o l l a p s ep i l l a ri ny a n g q u a n , s h a n x i 出露处围岩为上石盒子组黄绿色砂岩，柱体部分出现块度大小不一，杂乱无章，棱角 明显的岩块堆积体。其中含有刘家沟组砖红色砂岩，钙质胶结。 太原理：l 大学硕士研究生学位论文 针对阳泉新景矿芦南二区中部三维勘探区的地震地质条件以及本区的实际地质情况， 结合地质任务，本区所用地震仪为法国产s er ee l 一4 0 8 u l 数字地震仪，采 用6 个自然频率为6 0 h z 的检波器铺设成点状，1 2 线4 炮单边激发观测系统进行施工。 图2 7 为以上己知陷落柱时间剖面图： * 图2 7 山西阳泉高岭村旁陷落柱地震勘探时间剖面 f i g 2 7t h ec o h a p s ep i l l a rt i m e s e c t i o no fs e i s m i ce x p l o r a t i o ni ny a n g q u a n s h a n x i 在时川剖面上，同一界面的反射波具有三个特征：列相性，波形相似性，振幅突出。 而对于陷落杠，如图所示，可以看出，其识别标：卷为： a 标准反射波同相轴中断，扭f l ，能量变弱，连续性变差，代之以断续的弱反射列楣 轴： b 反射波动力学特征突变，如振1 隔突然减弱，波形变化无规律，频宰明显变低，出现 高频干扰，十l l 位不连续等，经过一段距离后，又恢复一常。 c 异常波 n 现。异常波包括绕射波、延迟绕射波、侧丽波等。当陷落棺的直径大于地 震勘探的横向分辨率时，叮借助j ：断陷点的绕射波及延迟绕射波进行判断，并可通过时间 延迟量推算陷落柑。的规模。延迟绕射波是判断陷落柱的第一标志波。 综 ：所述，陷落丰t 杜体是由块度大小不均，排列杂( l 尢章的上覆地层塌陷物充填股结 而成，充填物成份复杂、松散，密度小，速度低，成层性差，而陷落杠附近及顶部固岩多 为煤系地层的砂岩、泥岩或煤层，其沉积稳定，速度、密度与陷落杠相比，在横向和纵向 上= 都存存明硅的差异，因此，为利用地震反射波法探测陷落柱奠定了物 擎基础1 6 ，2 5 】。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 3 陷落柱断陷点的绕射波时距曲线 几何地震学的观点认为，地震波在传播的过程中，如果遇到一些地层的突变点f 如断 层的断棱，地层尖灭点，不整合面的突起点等) ，这些突变点就会变成新的震源，再次发 出球面波，向四周传播。这种波动在地震勘探中称为绕射波。以陷落柱断陷点为例进行 说明。 如图2 8 所示，在反射界面中间有一速度v k ( v x f o 、j 旦马，墨 o f 舶 似 1 一r 一r _ i 力 力 僻 僻 太原理上大学硕士研究生学位论文 其中， 咖一= 藤 q 一丝r ( t ) 1 旺v 2 删一磊压 吼一等孵 v ov v ： 对波势函数求导数，即可得到地震波的位移波场函数，即 t t 0r a ( 4 5 ) 根据以上推导公式，以口= l m ，0 2 , 4 ，8 , 1 6 m ，作出的波势导数函数曲线见 图4 - 4 。从图上可以看出，比值o a 越大，产生的地震子波的主频就越低。 u u 卜名霾 5 0 ，繁。 、j 图4 - 4 波势导数随塑一弹性界面最大半径变化情况 a ；1 m ，”o ；”p ，v ，一1 0 0 0 m s ，”p ；1 6 6 0 m s ； f i g 4 - 4t h et r a n s f o r m a t i o no f w a v e f i e l dp o t e n t i a le n e r g y d e r i v a t i v e 曲线的r p 一2 m ，曲线的0 4 m ，曲线的0 = 8 m ，曲线的0 = 1 6 m 匕一；一。， l h p噶号 q 矿石 置 吒 嚣焉 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 根据以上分析结果，可以得出关于点爆炸震源地震子波特点： ( 1 ) 地震子波是一个有限带宽的连续谱信号。信号的高端频率与破坏带半径成反比；低 频端频率与塑性带最大半径成反比。因而随药量的增大，整个频谱向低频方向移动。 ( 2 ) 波场的幅度与塑性形变区的体积大小成正比，因而与药量近似地成正比。 ( 3 ) 爆炸压力的下降速度决定了起跳时间，两者间成反比关系。并且起跳时间与塑弹 性界面最大半径成正比。因而极限强度低的岩层中激发的子波起跳慢，极限强度高的岩层 中激发的子波起跳快。 2 、激发岩性 激发能量与岩性之间有两种耦合关系，即几何耦合和阻抗耦合。 几何耦合是指炸药包与周围介质的，以相互接触紧密为好。因此，一方面在选择炸药 型号时，要使药包直径与径孔内经相吻合；另一方面，要用土闷井，保证井孔中无空隙。 阻抗耦合是指炸药特性阻抗和介质阻抗之比。即 r ；鱼生 h 6 ) p 2 2 。 式中，p 。是炸药密度；。是炸药爆速；p ：是岩石密度； ：是岩石中纵波传播速度。 理论上认为当r = i 时，即炸药的特性阻抗和周围岩石特性阻抗相等时，所激发的地震波 能量最大。但是在实际勘探中，炸药的特性阻抗要大于周围岩石的特性阻抗。在山地勘探 中，激发岩性选在出露的老地层、粘土或含水砂岩、砾砂岩层中。密度和速度稍高的炸药， 可以获得较好的效果。 3 、激发深度 激发深度的选择要符合以下要求：目的层反射能量强、信噪比高，有小波频带较宽、 符合地质任务的要求，面波及浅层折射干扰尽可能弱等。在设计激发深度时，要求一方面 要避开低速带；另一方面要求在潜水面下2 m 激发，但在实际的工作中，往往会发生意想 不到的事情。例如，在厚黄土覆盖区，厚度达到几十米上百米，有时井深打到4 0 m 都无 法在地震记录上看出有效波的同相轴，又不能一味的往深里打，一是受勘探成本的限制， 二来由于炮井太深下药速度太慢或者是泥浆沉淀很快而导致炸药不能下到规定的深度，这 样也不能得到好的有效波成分，所以要视具体情况而定。 下药深度取决于风化层的深度和实验时遇到的干扰大小。一般，震源越浅( 例如6 m ) ， 声波和地滚波越强。另一方面，下药深度超过1 8 m 很多时，一般也不经济。如果钻井确 太原理工人学硕士研究生学位论文 实很难( 且昂贵) ，可用浅井。 如前所述，山地地表由于受风化等作用，纵横向变化大，因此在选择激发深度之前应 利用小折射、微测井及岩性录井等措旌作详细的表层结构调查，且要根据出露地层的情况 来对表层进行分层，划分出低速层、降速层和高速层等，且画出表层结构剖面图，以此可 以逐点进行激发井深设计。一般情况下均要设计在高速层激发，其效果最好；如果并深达 不到高速层，则要设计在降速层激发，且要考虑多井组合。 随着双井微测井技术的发展，人们可以较准确的确定虚反射界面，并且通过震源半径 和需要保护的最高信号的频率，定量地确定震源距离虚反射界面的距离，结合钻井资料， 确定岩件特征，从而确定最佳的激发井深。由于表层地质岩性条件变化较大，具体距潜水 面以下多深激发效果最好，因各地区的差异，其结果也不尽相同。 4 、炸药类型和激发药量 目前的经验表明：炸药的速度与密度是密切相关的，即速度越高、密度也越大。选择 炸药类型要充分考虑激发崭性的速度和密度，为_ 厂有好的阻抗匹配，要求炸药的速度与围 岩的速度越接近越好。凶此，在出露的老地层中激发可以选用速度较高的中密度、高密度 炸药；在速度较低的风化层中激发时可以选用速度较低的中密度或低密度炸药。但足，由 于密度低的炸药激发时、稳定或扣爆，吲此，在【i | k 施工中一般选用密度较高的炸药。总 之，要根掘施t 地区的激发岩性，选择特。肚阻抗和激发岩性阻抗相接近的炸药。表4 1 为 目前地震勘探普遍使用的几种炸药的类型、密度及速度，以供参考。 炸药量的选择很大程度f ：取决_ j 的层的深度。最佳的炸药量应是在目的层深度处取 得最大信噪比的炸药量。目的层越深，所需的炸药量一般越大。但是不能过大，以免导敛 “井喷”。般，炸药量越大，引起的地滚波、声波也越强，使i 己隶遭受f 扰；反过来， 炸药量越小意味着频率成分增多，而进入地f 的能量减少。 理论研究表明，增加约掣r - ，提r 奄压| 力脉冲振幅， 地震脉冲波的视十 期r 与炸药嚣q 的关系是： l t = k q 3 其中k 为常数。 减小药量可使脉冲频谱向高频移动。 ( 4 7 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 表4 - 1 地震勘探使用的几种炸药的类型、密度礁速度 4 2 j t a b 4 _ 】 l h ep a r a m e t e r so fs e v e r a lt y p e so f d e t o n a t o r s 炸药类型 密度( g c m 5速度( m s ) 备注 1 0 0 1 n t1 _ 56 3 0 肌6 4 0 0 柱状高密铵梯 1 3 l56 0 0 0 - 6 5 0 0 5 9 6 3 1 1 盯 柱状中密铵梯 l - 2 一1 44 5 0 0 一5 5 0 02 8 3 2 1 t 盯 柱状低密铵梯 1 ，2 4 5 0 0 胶体高能1 _ 35 5 0 0 高能宽频药柱1 2 1 6 53 0 0 “7 5 0 0 抗水震源药柱1 5 1 ，67 0 0 0 聚能弹1 3 1 t 76 5 0 0 7 5 0 0 乳化震源药柱1 1 1 43 5 0 0 - 4 【j o o4 ：含铵梯 由舡7 式可以看出，药量越大，激发产q i 的视周期越大，频率越低。因此浅层高分辨 率勘探应采用小药量，一般采用o 5 公斤到3 公斤的小药昔激发。对于不同的激发方式， 药鼙按井炮、水炮、士炮的顺序增加。 5 、激发组合 山f 地震采集中而波、折射波等强低频噪音干扰严重，风吹草动和检波器忪动，以及 随机 二扰等小规则高频噪音的干扰，几乎淹没r 高频有效信息，记泉资料信噪比比较低。 如果采集的地震资料品质较差，就相当f 先天小足，无论多高的处理手段也难以补偿这种 缺陷。在野外如何采集至u 频率成分丰富，信噪比较高的地震资料，是提高分辨率的关键， 适当的采用组合是解决这一问题的有效方法之。 组合激发就是在多个井中同时激发，每个井中放适量的小药量，由于每个，h ，各为小 药量，炸药爆炸时造成的孔穴和破碎带就小，爆炸点可以紧靠虚反射界面，有利f 减少虚 反射影响。 另外，组合还相当于一个低通滤波器，对噪声和信号均有压制作用，根据研究表明， 虽然组合对噪音和信号均有压制作用，但对丁二者的压制作用不尽相同，对噪音的l i ：$ r j 效 果较好，而对有效信号眶制较轻。 可见，组合激发是提高信噪比和分辨率的有效方法。为了有效地压制噪音，又尽可能 的减少组合的低通效应，组合井的基距以不跨道为原则。每一震源位置的井数取决于可以 经济地钻达的深度和单井记录的视噪卢。多井组合是用来提供足够的穿透能量( 特别是 3 2 太原理t 大学硕七研究生学位论文 钻井困难而只能用浅井的时候1 ，二是用来消除噪声。三维作业时，因为检波器组合一般 与接收线同向，所以震源组合常常和震源线同向，以达到最佳噪声消除效果。 4 - 3 2 接收参数的选取 在高分辨率地震勘探中，对接收技术的研究也同样重要，针对地震仪、检波器，前人 做了不少有益的研究。多道数字地震仪，高频检波器相继问世。这样提高了地震勘探的分 辨率，但是，也形成了一些认识误区，在不少人心中形成了“唯武器论”，认为只要仪器 好，加上“四小、三高”的措施，就能得到高分辨的成果。针对此类现象，李庆忠【删院士 专门作了分析，得出结论：地震仪器( 包括检波器) 的任务只是“忠实地”记录下大地的振 动波形。但仪器本身是不知道这个波形是信号还是噪声的。所以信噪比谱的好坏主要不是 取决于仪器的好与坏，而主要是施1 = 设计者与施t 者的功与过。事到如今，仪器的技术指 标已经大大超过了旌工条件的要求，分辨率与信噪比的好坏由旌工工区及施工条件决定 的，而与仪器的差别很少有联系，闪此，花 ： ：百刀进行不同检波器的野外对比试验是不 提倡的。 地震信息的接收系统，它包括组合法、多次覆盖、检波器的固有频率特性、检波器与 大地的耦合关系、仪器的动态范【卧前管滤波器的低截l ：频率等。其各自都具有频率响应， 对地震资料的信噪比和分辨率有定的影响。这l p 只从检波器与大地耦合及检波器组合考 虑。 1 、检波器与大地耦合关系 随着高，辫率地震勘探技术的小断发展，检波器埋置技术也越来越受到重视。 w a s h b u r n 和w i l e y 于1 9 4 1 年【卅指出柃波器的，筲构成的谐振系统，i f x , t 地震记录的幅度 和相位造成，5 r 曩一f - 扰，k r o h n 丁1 9 8 4 年| 4 8 j 研冗表明福合谐振对地层的硬度很敏感。在松 软和末阎绐的七壤中，耦合凿振频二争会降到地震信号频带中，导致地震信号畸变，改变信 号中高频成分的幅度和相位。所以检波器埋胃以：地表上壤中，即使做到“平、稳、直、正、 紧”也不行，表上除了对地震波有较大的吸收外，还因表土松散，固结程度差，兼有杂草 根系，很雉做纠与大地耦合。考虑剑检波器的埋置技术和质量直接关系到检波器与大地的 耦合情况，从而影响地震数据采集的质量，vs i n g h 等人1 9 9 7 年1 4 9 】做了一个井场试验。他 们把耦合情况分为_ 二种：( 1 ) 地表插入( 欠锥松松的插入地表土壤层) ；( 2 ) 重复插入( 尖锥垂 直插入松动) ；( 3 ) 良好插入( 尖锥紧紧的插入地卜1 m ) 。针对不同的地表条件获得的地震数 辑c 资料表明，( 1 ) ( 2 ) 这两种埋管力式，使检波嚣接受到的信号相位改变，产生耦合谐振， 太原理工大学硕士研究生学位论文 降低信号的幅度，有效频带变窄，分辨率下降。而良好的插入情况下，反射分辨率高，噪 声干扰小，这说明检波器的埋置好坏对高分辨率地震勘探非常重要。1 9 9 9 年，胜利油田的 徐锦玺【删等，对检波器尾锥结构进行改进，增加了检波器尾锥长度，但是却引起了叠加效 应，最后通过理论推导和试验发现尾锥长度大于5 0 c m 反而不如相对较短尾锥好。尾锥越 长，叠加效应越强，高频成分受到的压制就越大，频带变窄，分辨率降低，因此，尾锥长 度应选在3 0 - - 5 0 c m 为好。可见，仅靠改变检波器尾锥长度也不能完全解决耦合问题。 综上所述，在检波器埋置中存在以下两个问题，只有解决好这两个问题，彳能保证接收质 量。 ( 1 ) 检波器与大地之间的耦合谐振问题。无论检波器与大地耦合多好，都存在接触频率 的问题，也就是检波器本身与大地之间形成了一个具有质量、弹簧和阻尼的振动系统，其 圊有频率依赖于检波器与大地的接触情况和榆波器的自身质量。刚度系数增大谐振频率提 高，质量增大谐振频率降低，因此，多心集中组装的检波器与大地形成的谐振系统频率较 低。 ( 2 ) 检波器地下埋置问题。我们的做法是：严格施工管理，在埋黄过程中真正做到“平、 稳、正、直、紧”。为减弱地而的环境噪声和避免近地表低速层的吸收衰减作用，采取井中 接收的方法；在岩石出露的地方，垫上潮湿的土，并把检波器用士缓紧，或者基岩上石膏 羊占紧；土壤中去掉杂草，挖坑去掉浮土，浮上要挖爆，用专用【具埋实。 ( 3 ) 采用自然频率相对较高的检波器或加速度检波器，并配以合适的仪器低截滤波，也 是一种压制低频、相对抬高高频信息、改善记录质量的有效途径1 5 1 l 。 2 、检波器组合及连接方式 检波器组合虽然可以压制f 扰提高信噪比，但它会产生低频响应，从而降低地震资料 的分辨率。对于检波器组合，我们采用点组合，即零组内距。凼为对山区煤田勘探来说， 由f 地形起伏，高差较大，所以很小的组合跨科! 就是敛命的。这与石油勘探有很大的差别。 在石油勘探中，一般5 m 的组合跨距并不造成对2 5 0 h z 反射信号的压n ( n 为有效波视速 度一般恒大于2 5 0 0 m s ) l “l 。 检波器的连接方式有串联、并联和串并联结合方式。 2 0 0 1 年乔大军1 5 2 j 研究表明检波器不同连接方式对阻尼系数和失真度参数没有多大影 响，但阻抗和灵敏度变化较大。当检波器串联时，总阻抗增大、总灵敏度提高，此时的优 点是高输出、高分辨率，缺点是高阻抗、易拾取嗓音：当检波器并联时，总阻抗减小、总 太原理工人学硕士研究生学位论文 灵敏度降低，优点是适合于有高压线或地表潮湿、高静电地区的勘探，缺点是低输出【5 3 】。 因此，要合理选择检波器连接方式，使得检波器组合能够实现高输出和低阻抗的有机结合 而达到较理想的接受效果。 当地震信号到达组内相邻检波器的时差为零、