地震波激发与接收

地震波激发与接收

论文提要

在地震勘探的野外工作中，第一步是要人工激发地震波。对地震波的激发有一些基本要求，但为了适应各种地表条件及具体工作方法的特点。所用震源及激发方法又是多种多样的。当我们激发地震波时，既产生有效波，也会产生干扰波，所以我们要想方设法压制干扰波，突出有效波，人们往往利用有效波和干扰波的差异，在野外条件下采用不同的仪器手段和观测方式，来压制干扰波、突出有效波的。下面我们就对激发和接收所需条件及注意事项进行讨论。

正文

对激发的地震波首先要有足够的能量，因为，在石油勘探中，要用地震反射法查明地下几千米的一套地层的构造形态，要传播很长的一段距离，没有足够的能量是不行的。此外还要指出，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。应使地震有效波具有较强的能量，显著的频谱特性和较高的分辨能力。以利于纪录有效波。下面分别介绍陆地炸药震源，陆地非炸药震源，海上炸药震源。

一、陆地炸药震源

从二十年代开始到现在，地震勘探方法一直采用炸药为主要震源。实践证明，在油气田地震勘探中使用炸药震源，有着良好的效果，突出的优点是有较强的能量。目前主要分为普通炸药震源和炸药索两种

（一）用炸药激发时，激发条件和方式的选择

用炸药激发时，激发方式有井中爆炸，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。其优点是：首先能减低面波的强度，消除声波在纪录发射波时造成的困难。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。当然要保证这些优点，就要选择良好的激发条件。

1 、激发岩性

爆炸时所产生的波的频率谱，很大程度上决定于激发岩性的物理性质。在松散潮湿的淤泥中爆炸，频率很低，且大部分能量被吸收，转化为有效波的弹性能量不大；在坚硬岩石中爆炸，会产生极高的频率，但在传播过程中，高频的振动将很快被吸收掉。而且在坚硬的岩层中爆炸，大部分的能量都消耗在破坏井壁周围的岩石上。因此激发岩性应选择潮湿可塑性岩层，这样的岩性可使大量的爆炸能量转化为弹性振动能量，可使激发的地震波具有显著的振动特性。

2 、激发深度

对于反射波来说，要选在潜水面以下，最好是在潜水面以下3～5米的黏土层或泥岩中爆炸。这样可使激发的频谱适中，且潜水面又是一个强反射界面，爆炸产生的能量由于潜水面的强反射而大部分往下传播，从而增强了有效波能量，减少干扰波能量。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、激发岩性等了解。

3 、激发药量

当炸药周围的岩性，要求勘探深度，激发点与接收点的距离，仪器的灵敏度等不变

m 时，适当增加炸药量，可以提高有效波的振幅，因为振幅A 与药量Q 的关系为A=KQ （M

次方），M=0.2～1.0，当Q 较小时近似于1，激发产生的地震波振幅与Q 成正比，但当Q 增大到某一值时，A 不再随Q 增大而增大，其原因是炸药量增大后，岩石的破坏作用急剧增大，而激发的弹性振动能量反而减少，则A 不在随Q 的增大而增大。

（二）几种重要的炸药激发方法

1 、组合爆炸

如果在远距离接收时，必须使用大量炸药进行激发或者在已经采用了一定的药量，一起的灵敏度也最大限度的提高了，为了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，这就是组合爆炸。

生产实践表明，组合爆炸的效果较好，可以相对的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的振幅与其他和爆炸无关的干扰波振幅的比值，有利于有效波方向选择接收。

要使组合爆炸得到良好效果，很重要的是选好组合参数，最重要的是炸药包间的距离。爆炸能量主要部分（80%以上）损耗在为炸药包推算半径8~10倍的距离上，在进行组合时，邻近的两个炸药包爆炸所产生的影响，将突然增加压力，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，因此必须使两个爆炸点间距不少于由单个炮点起爆时形成的塑性带半径R 2的二倍，用于实际计算的经验公式有

R 2=1.5Q1/3 D=2R2=3.0Q1/3

Q 为药量，R 2为起爆时的塑性半径，D 为组合井的井距。

2、水中爆炸

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。在水网地区也可以因地制宜的采用。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。在深水中激发，则应选择沉放深度，若深度过大，将由于气泡惯性胀缩造成重复冲击，使纪录受到严重干扰，为了避免这种情况，只有加大药量或者将沉放深度变浅，使气泡迅速冲出水面接触空气破裂。关于药量，据某些试验结果表明，按1/6m/Kg，

1.5/9m/Kg，2/15m/Kg的关系，效果较好。但为了渔业和生态环境，水中爆炸应尽量避免。

3、坑中爆炸

坑中爆炸也叫土坑炮，在沙漠，黄土沟，砾石覆盖区等地区，不便钻井，浅水面又很深，只能采取土坑组合爆炸，我国西北地区在勘探时采用土坑炮，就取得了很好的效

果。坑数及药量可经过试验决定，同样，坑炮也要选择激发岩性（胶泥黏土，泥岩等为好）。要注意的是：药包要放在坑底的斜洞内，填上土，给药包一定压力，增加爆炸能量的下传。还有，坑距一般在10~20米左右。

虽然我国大部分地区仍在使用炸药爆炸的激发方式，但是，随着勘探范围的扩大和技术的发展，炸药震源的缺点就逐渐暴露出来了：

（1） 所需费用大，时间较长；

（2） 缺水地区，流沙沼泽等地区钻井困难，施工不便；

（3） 工业区不宜使用炸药；

（4） 炸药运输，保管和使用容易发生危险。

为了克服上述困难，就出现了非炸药震源。

二、非炸药震源

陆上非炸药震源主要有撞击型（重锤和气动震源）和震动型（可控震源）。

（一）气动震源

这是一种车装非炸药震源，震波发生器是密闭的扁平圆柱体，有的型号直径约为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版与地面接触。在把发生器放置好后，将约85公斤的丙烷与氧气混合气体导入爆炸室，在2个大气压下引爆。在爆炸时，较轻的底板迅速作出反应，将脉冲传至地下。在野外进行激发时，载运器上有装置将震波发生器放下与地面接触，然后车的后部抬起，车体后部的重量均匀压在震波发生器上，和爆炸室上的重块构成一重为10吨的大反冲体，使爆炸室底版与地面紧密接触。将爆炸室充满可燃气体，然后进行爆炸以产生一脉冲。

气动震源和其他冲击型地面震源一样，属于低频，低能量震源，因此对于噪音的抑制，提高分辨离和穿透深度等问题，均需采取相应的措施加以解决。

（二）重锤

重锤震源系统是由车装的机械装置。将3吨以上的重锤高举至3米然后让其坠落打击地面以产生地震信号。在重锤撞击地面之后就马上把它从地面提起，以便使重锤在几秒种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，纪录在磁带上以便随后进行叠加。

由于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。此法看来比较简单，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。

（三）可控震源

可控震源系统的野外工作方法，在许多方面是与炸药震源基本一致的。比较特殊的是在采用可控震源时要进行大量的组合，叠加即同时使用几台震源，以一定的组合形式，在一个震点上震动几次至十几次。每次震动后，各台震源保持起组合形式，向同一方向移动同一距离，再震动第二次，震动后再向同一方向移动相同距离震动，然后第三

次；依次直到震动完所规定的次数为止，这样才完成一个振点（第一炮）。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；在一个震点上若干个振次的组合。

可控震源有几个较明显的优点：

1、不产生地层不传播的振动频率，从而节约能量。

2、不破坏岩石，不消耗能量与岩石破碎上。

3、抗干扰性强，由于可控震源系统采用相关技术，所以可以避免许多干扰，提高资料的信噪比。

4、除此之外，可控震源的特殊优点还在于，引起地面损害小，特别适宜于居民稠密的工区工作。

三、地震波接收应注意的问题

（一）对地震仪器的基本要求

当我们激发地震波时，既产生有效波也会产生干扰波。在自然界中也存在干扰波，所以地震勘探工作在第一步能激发出地震波后，第二步就是要在干扰背景下纪录上有效波。解决这个问题在野外阶段和处理阶段都采取措施。在野外阶段提高信噪比的措施又可从工作方法和仪器因素上想办法。下面就对地震仪器的基本要求来谈谈。

1、来自地层深处的地震信号是很微弱的，一般地震波引起的地面位移只有微米的数量级。为了把微弱的信号纪录下来，必须对它进行放大。而为了便于进行放大，传输及记录，首先要把地面的机械震动转变为电信号。

2、上面已经说过：在接收时，接收的不只是有效波（一次反射），还有许多不可避免的干扰波（如面波等）。为了突出有效波，压制干扰波提高记录的质量，地震仪器必须有选择作用以便让有效波的频率成分完全通过，干扰波的频率成分被滤掉。当然，记录频率范围的低频边界选择比较低，对压制低频面波是不利的，但为了获得深层反射波，把低频方面的边界频率选的低一些是必要的。而面波问题会用组合或者在室内处理中再想办法来解决。

3、地震波在地层内传播的过程中，因为波前的扩散，地层的吸收等原因，它的能量会受到损耗，结果就造成当波传到地面时，浅层反射波因传播路程短，能量很强，深层反射波因传播路程长，损耗大，从而能量变得很弱，这种差别可达百万倍，或者用分贝表示，即相差120分贝。

从上述的地震波能量变化特点来看，一方面总的来说，地震波的能量比较弱，需要放大，有时甚至需要放大几十万倍才能记录下来；但同时，深浅层反射波在能量上的差别也会很悬殊，这又进一步要求仪器不仅有很高的放大倍数，并且放大倍数还要可变，可以随地震波的能量大小而变化，即强的地震波到来时，仪器放大的倍数小一些，弱的地震波到来时，仪器的放大倍数就要大一些。仪器放大倍数的变化情况应能精确地记录下来，一边于在资料处理中恢复地震波振幅的真实数值。

4、地震记录仪还需要具备良好的分辨能力。一个地层剖面中，可能会存在许多相

邻很近的反射界面。当有地震波入射到这些界面时，这些相邻界面的反射波就会相继到达地面的观测点。我们知道，每个界面的反射波总是有一定的延续时间的（用Δt 表示），如果两个相邻界面之间的深度差是Δh ，第二层速度是V ，并假设地震波是近似垂直入射和反射。那么这两个相邻界面的反射波到达地面同一点的时差Δm 近似等于

Δm=2Δh/V

当地震波的延续时间Δt 小于Δm 时，这两个相邻界面的反射波在地震记录上可以分辨出来，反之，则无法分辨开来所谓的分辨能力就指这个问题。因此，从仪器的设计方面，就要考虑这一问题，合理选择仪器参数，使仪器的固有的振动延续时间不要太长，具有较好的分辨能力。

5、根据地震勘探技术方法的特点，对地震仪器还有一些具体的技术要求。如记录仪应当是多道的，各道还要在一致性上满足一定的精度要求。

6、最后要指出的是：因为地震仪是在野外比较复杂的自然条件下工作，因而在结构上要求仪器轻便，稳定，耗电少，能经得起颠簸和恶劣的气候变化等。以及操作简单，维修方便。

（二）道间距Δx 的选择

所谓道间距Δx 是指在排列上的各道检波器之间的距离。道间距ΔX 的大小，直接影响到地震波资料解释工作。因为ΔX 过大，将导致同一层有效波追踪辨认的可靠性受影响。而ΔX 过小，则使野外工作量增加。因此ΔX 要适当地选取。

选择道间距应以在地震记录上能可靠地辨认同一有效波的相同相位为原则。能否可靠辨认同一相位，主要决定于地震有效波到达相邻检波器的时差Δt ，所记录有效波的视周期及其他波对有效波的干扰程度。若视周期T ，那么道间距选择的基本原则应使时间Δt 小于周期T 的一半。这样就能可靠地辨认有效波的相同相位。反之，则有可能造成相位对比错误，即有可能把不同的相位错认了。再考虑到地震波有效波视速度，通常把道间距的最大限度定为

ΔX max =1VaT″/2

为了能同时可靠的追踪对比深层和浅层反射波，△X 应以浅层反射波（它的视速度小）的VaT ″作为标准来选择。由于时间剖面上的相位特征较明显，相邻道时间差小，因此道间距△X 可以选大点，总之在不影响可靠对比前提下，可把道间距尽可能的大一些，如35～50米。

（三）压制干扰波

为了设计出种种压制干扰波的方法，首先要分析有效波与干扰波的差别。

1、有效波和干扰波在传播方向上可能不同，例如水平界面的反射波差不多是垂直地从地下反射回地面的；而面波是沿地面传播的。实质是视速度的差别。

2、有效波和干扰波可能在频谱上有差别。

3、有效波和干扰波经过校正后的剩余时差可能有差别。

4、有效波和干扰波在它们出现的规律上可能有差别。

（四）检波器的埋置

激发条件好，道间距合适，但检波器埋置的不好，也得不到好的记录。实践中往往出现这种情况，检波器埋置在大树下，接近树根，或者草根多的地方，得到的记录微震背景就大；若把检波器埋置在淤泥中，得到的地震波低频成分就大大增加；若一个排列跨过几种岩性，则记录上呈现出来的各道波形将随岩性不同而变化，这就直接影响混波和组合的效果。

以上说明了检波器的埋置岩性及地点很重要。因此，在野外施工时必须认真作好。在埋置检波器的地方，应去掉杂草，铲平，最好挖个小坑。如果岩石出露的地方，最好的垫上潮湿的土，并把检波器用土壅紧。如在水中或水田，沼泽地，则应把检波器封闭好，直插水底，穿过淤泥触到硬土，尽量使同一组或同一排列埋置条件一致。这就是所谓的“平，稳，正，直，紧”。

上面指出的各种改善埋置检波器条件的方法，其根本作用在于使检波器和土壤组成一个阻尼较好的振动系统，以提高对波的分辨能力，实际上地震波检波器与地面组成的谐振系统的频率特性与土壤的成分和检波器与土壤的耦合情况有关，也就是说，归根到底还是“平，稳，正，直，紧”。

四、总结

总之，地震波的激发与接收是两个关系紧密的环节，必须处理好他们之间的关系。 到目前为止，作为地震波激发使用的震源，种类繁多，尤其是非炸药震源，种类更多，尽管各有优点，同时也有缺点，目前还没哪一种震源能在大多数情况下超过炸药的性能和适应性。因而现阶段非炸药震源还只是炸药震源的一种补充而不是取代。然而从长远角度来看非炸药震源是很有发展前途的。在接收时，主要是把地震仪的要求搞清楚，处理好道间距的选择和空间假频，其次就是注意检波器的埋置，还有在接收过程中一定要压制干扰波，突出有效波，综合利用各种方法，注意干扰波和有效波的区别。

参考文献

陆基孟，地震勘探原理：2004

李振春，张军华，地震数据处理方法：2004