工程地震仪震源装置改进设计

    刘佳林 张凤 刘福兴

    摘 要：分析了工程地震仪在实际应用过程中存在的问题，主要表现为单点叠加次数多、信号质量差、采集时易受干扰等。针对上述问题，从震源能量、锤击经验和现场干扰波着手，对震源类型、震源方案进行了分析和选择，改进了震源装置并进行了效果检查，经验证采集信号质量提高，探测深度由原来的60m提高至130m左右，同时节省了人力，提高了工作效率。

    关键词：浅层地震勘探；震源装置；采集信号

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.143

    浅层断裂勘察是地震安全性评价及其重要的基础工作，在近场区断裂构造评价和场址区活断层错断地表评价中发挥着重要作用[1]。浅层地震勘探是断裂勘察的方法之一，具有快速、经济、较全面地反映地质结构信息特征的优点[2]。浅层地震勘探工作中采用的工程地震仪，当采用人工锤击铁板作为震源时，探测深度浅，采集到的信号质量差，后期数据处理难度大。

    1 浅层地震勘探存在的问题

    浅层地震勘探采用的工程地震仪，一次最多可连接24道检波器。采用12V直流外接电源供电，大锤锤击铁板作为震源。

    目前浅层地震勘探系统存在的问题主要包括：

    （1）人工抡锤锤击铁板工作强度大：单个炮点至少需锤击5次；（2）抡锤产生的信号质量参差不齐；（3）采集到的信号质量差：锤击能量小，产生的机械波到达离炮点较远的检波器时能量基本耗尽；（4）周围环境极易产生机械干扰波（交通工具、人员走动、甚至是风吹草动）。

    经分析认为影响信号质量的因素主要包括震源能量、锤击经验及现场干扰波。

    2 浅层地震勘探过程分析

    （1）震源能量。对于锤击震源来说，影响震源能量的因素主要是铁锤的大小和下落的高度。铁锤重量越大、下落高度越大，锤击时的冲击力越大，锤击产生的机械波强度越大，信号质量越高，探测深度越深。而锤击时劳动强度也相应的越大。因此需要在保证信号质量的同时，选择大小合适的铁锤和下落高度。

    （2）锤击经验。对于人工抡锤和落锤法来说，锤击方法不当（如角度跑偏等）锤击能量大部分以干扰波的形式传播，导致信号质量差。根据现场经验，应注意以下几点：1）铁板嵌入地表土中，防止锤击瞬间弹起；2）保证锤头垂直砸向铁板；3）铁板厚度要足够大（至少2cm），防止铁板被砸弯。

    （3）现场干扰波。现场各种类型的干扰波影响了信號的质量，现场应注意：1）布测线时尽可能避开草丛较厚的地段，锤击时现场人员保持静止，避开交通要道；2）尽可能避开输电线路、变电站等设施；3）尽可能避开大型机械、江河岸边等。

    3 改进设计思路

    （1）震源类型的选择。针对震源能量低，采取的首要措施是震源类型的选择。目前浅层地震勘探用的震源主要有可控震源、炸药震源和锤击震源3种，对这3种震源进行简要分析如下：

    1）可控震源。可控震源产生的地震信号在一定范围内可控，不易被环境干扰，具有较高的信噪比[3]，而现用的工程地震仪与可控震源设备接口不匹配，无法作为有效震源。

    2）炸药震源。炸药震源作为地震勘探的常规震源之一，在油田勘探中具有较广泛的应用[4]，而炸药属国家管制品，其来源受到一定程度的限制。

    3）锤击震源。锤击震源能量虽小，但可控性高，操作简便，在小规模的勘探中优势明显，因此选择震源类型为锤击震源。人工抡锤法1人操作，操作简便，但单炮能量低，工作效率低；人工落锤法单炮能量相对较高，信号质量高，但需多人提升落锤。

    （2）震源方案对比。选定震源类型为锤击震源后，在同一炮点处对比了不同锤击方式、锤子大小和锤子下落高度的单炮信号质量如表1所示。从劳动强度和操作人数指标考察，人工抡锤法具有需求人力少、单点劳动强度低的优势；而从信号清晰度和单炮叠加次数指标考察，落锤法具有单锤信号质量高、无需多次叠加的优势。

    对比了5种不同方案的单炮记录信号，发现锤击方式采用落锤法，铁锤大小140磅，铁锤下落高度1.5米时，反射波信号最清晰。

    （3）震源装置的改进。在方案（四）的基础上，设计了一种与工程地震仪匹配的半自动化锤击震源装置，该震源装置包括支架、升降装置、落锤、铁板4部分，落锤为140磅的圆柱状铸铁。将该装置挪动到炮点位置后，将支架底部的轮子通过卡紧装置固定，落锤连接好触发器，触发器连接至地震信号采集仪，铁板置于支架底部，并位于落锤的正下方，手摇辘轳至自动抓手抓紧落锤上部的凸台，提升落锤至自动抓手触碰挡板的锥形孔洞后，自动抓手上端受力向内运动，下端随之向外运动，迅速失去卡紧作用，落锤自由落体锤击铁板激发产生地震波。完成一个炮点的激发后，解锁支架底部的轮子，将装置整体推至下一炮点。

    4 效果检查

    （1）信号质量提高，探测深度增加。用方案（四）的震源与之前的抡锤法震源对比，测得的地质剖面清晰度明显提高，探测深度由原来的60米提高到130米左右。

    （2）节省人力，提高工作效率。该震源装置比普通落锤法节省人力，操作简便，普通落锤激发时需要4～5人提放落锤，而该震源装置仅需1人操作，节省了大量人力。

    参考文献：

    [1]陈长敬，黄理善，罗士新.隐伏断裂勘察中的综合地球物理方法研究[J].工程地球物理学报，2011，8（03）：349-351.

    [2]陈蜀俊，罗登贵，甘家思等.浅层地震勘探在工程场地地震安全性评价近场工作中的应用[J].物探与化探，2004，28（05）：463-464.

    [3]佟训乾，林君，姜弢等.陆地可控震源发展综述[J].地球物理学进展，2012，27（05）：1912-1914.

    [4]陈健.陆上石油地震勘探炸药震源研究进展[J].科技导报，2013，31（25）：68-69.