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  中国地质 2019, Vol. 46 Issue (5): 1146-1160  
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王冠, 熊小松, 高锐, 陈宣华. 2019. 花海盆地深地震反射剖面的最佳采集参数实验和分析[J]. 中国地质, 46(5): 1146-1160.  
Wang Guan, Xiong Xiaosong, Gao Rui, Chen Xuanhua. 2019. Experiment and analysis of the best acquisition parameters for deep seismic reflection profiles in Huahai Basin[J]. Geology in China, 46(5): 1146-1160. (in Chinese with English abstract).  

花海盆地深地震反射剖面的最佳采集参数实验和分析
王冠1,2, 熊小松1, 高锐3,4, 陈宣华1    
1. 中国地质调查局-中国地质科学院地球深部探测中心, 北京 100037;
2. 中国地质大学(北京), 北京 100083;
3. 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;
4. 中山大学地球科学与工程学院, 广东 广州 510275
摘要: 深地震反射方法是探测地壳深部结构的先锋技术,能获取到莫霍面和上地幔的反射图像,成为揭示岩石圈结构、解决深部地质构造问题的有效手段。花海盆地位于河西走廊盆地群西部,处于不同大地构造单元的交汇部位,地层发育较全,但出露和发育程度差异较大,除白垩系为大面积连续分布外,其他各时代的地层均出露不全,常表现为被侵入岩分割破坏的残块状,为了确定深地震反射在花海盆地适合的采集参数,在采集前开展点试验,进行小、中、大炮炸药井炮激发参数对比优选,最终得到最优化的采集参数。在小炮实验中,36 kg药量取得的反射信息没有48 kg和60 kg的丰富,而且在MOHO反射的清晰度上48 kg和60 kg药量更为清晰,单井激发比组合井激发效果好;在中炮和大炮实验中,不同组合井对比差异不大,随着药量增大,激发能量增大,面波、折射波等干扰波能量也在增大,小炮干扰波能量最弱,反射信息最丰富的,中炮和大炮干扰波较发育,但通过后期去噪处理,也能得到中浅层反射信息。
关键词: 花海盆地    深地震反射    采集实验    深地勘查工程    
中图分类号:P631.4            文献标志码:A             文章编号:1000-3657(2019)05-1146-15
Experiment and analysis of the best acquisition parameters for deep seismic reflection profiles in Huahai Basin
WANG Guan1,2, XIONG Xiaosong1, GAO Rui3,4, CHEN Xuanhua1    
1. Deep Exploration Center, Chinese Academy of Geological Sciences and China Geological Survey, Beijing 100037, China;
2. China University of Geosciences(Beijing), Beijing, 100083, China;
3. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
4. School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China
Abstract: The deep seismic reflection profiling is a pioneering technique for detecting the deep structure of the crust. It can obtain the reflection fabrics of the Moho and the upper mantle, and hence is an effective method for revealing the lithosphere structure. The Huahai Basin is located in the western part of the Hexi Corridor basin, which is the intersection area of different tectonic units. The stratigraphic development is relatively complete, but the degrees of excavation and development are quite different. Except for the large area continuous distribution of the Cretaceous strata, the strata of other epochs are incompletely exposed, and are often manifested as residual debris damaged by division of intrusive rocks. In order to determine the suitable acquisition parameters for deep seismic reflection in the Huahai Basin, the authors conducted a pilot experiment before the collection, in which the small, medium and large TNT explosives were fired, and wells with different depths were drilled to make comparison. The parameter comparison was preferred, and finally the optimized acquisition parameters were obtained. In the small TNT explosives experiment, the reflection information obtained by the 36 kg dose is not as rich as the information obtained by 48 kg and 60 kg dose, and the results of 48 kg and 60 kg doses are clearer in the clarity of the MOHO reflection, with the single well excitation better than the combined well excitation. In the experiment of medium and large TNT explosives, the contrast of different combination wells does not show much difference. As the dose increases, the excitation energy increases, and the interference wave energy such as surface wave and refracted wave also increases. The interference wave energy of the small TNT explosives is the weakest, but has the most abundant reflection information. The interference waves of he medium and large TNT explosives are more developed, but the middle-shallow reflection information can also be obtained through the noise-suppressed processing.
Key words: Huahai Basin    deep seismic reflection profiling    acquisition experiment    deep geological survey engineering    

1 引言

花海盆地位于河西走廊盆地群西部,主体位于阿拉善地块北部过渡带上,南邻河西走廊,西跨阿尔金地块,北接北山海西褶皱带,处于不同大地构造单元的交汇部位(任战利等,1995)。花海盆地地层发育较全,但出露和发育程度差异较大,前石炭纪地层中太古界—古元古界与中新元古界构成了区内结晶-变质基底部分,寒武系—泥盆系发育其上,断续出露有寒武—奥陶系、志留系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。上述地层除白垩系为大面积连续分布外,其他各时代的地层均出露不全,常表现为被侵入岩分割破坏的残块状。

深地震反射方法是探测地壳深部结构的先锋技术,它的基础是常规地震反射方法,两种方法原理相同,都是利用不同物性界面上产生的弹性波反射同相轴来描述断裂、界面等地质构造特征。但深地震反射方法在探测深度上比常规地震反射方法大得多,一般记录长度都在15 s以上,所以能获取深度到达莫霍面和上地幔的反射图像,成为我们揭示岩石圈结构、解决深部地质构造问题的有效手段(梁慧云等,1996王海燕等,2006)。自20世纪70年代美国COCORP计划(地壳探测计划)首先运用深地震反射方法探测地壳结构并取得巨大成功以来,英国、法国、德国、加拿大、意大利、俄罗斯、比利时、澳大利亚和瑞典等国家,相继实施了深地震反射探测计划,并取得了一批显著的成果(Brown, 1985, 1991Cook,1985Klemperer,1989Bois et al., 1990卢占武等,2010)。大量的激发试验表明,在灰岩区、花岗岩区和火山岩区中以相对较大药量、深井深激发为主;在地壳尺度的深反射地震中,石灰岩和结晶岩区激发药量在20~30 kg、井深在24~30 m;在第四系胶泥区中以潜水面下井深和相对较小药量激发为主,药量6~12 kg、井深12~18 m(杨贵祥,2005杨勤勇等,2009;刘国霖,2009;姜鹏飞等,2009刘振东等,2012Lü et al., 2013)。

在中国地质调查项目的支持下,通过采用最佳采集参数来获取花海盆地的地壳反射结构,以揭示研究区地壳结构框架,探讨断裂构造体系和岩浆系统空间结构,为达到研究目的我们在花海盆地—北山构造带开展了深地震反射剖面为主要手段的深部地质调查工作。为了确定最佳采集参数,在采集前开展点试验,进行小、中、大炮炸药井炮激发参数对比优选,最终得到最优化的采集参数。获得的最佳采集参数将有利于指导后期在花海盆地深部地震探测工作的开展,降低采集成本同时获取高分辨率的地震剖面。

2 实验区条件

花海盆地位于39°57′30″N~40°48′27″N、97°01′ 21″E~98°31′47″E,海拔1195~1250 m。花海盆地属于温带干旱气候,干燥多风。经野外踏勘,沿测线可将研究区地表地貌分为五类:低矮山丘、丘陵、戈壁滩、沙化地以及农田地,其中低矮山丘相比较丘陵来说,岩石裸露,表层坚硬,地表起伏大。根据地震、钻井、重磁资料,花海盆地构造单元为花海坳陷,花海坳陷内基岩埋藏深、中新生界沉积达500 m,是盆内主要油气勘探区(谢恭检,1983杨重信等,2005)。花海盆地构造格局见图 1

图 1 花海盆地研究区以及周缘地区构造简图 Fig. 1 Structural map of the Huahai Basin study area and surrounding areas

花海坳陷沉积了中、下侏罗统、下白垩统、古近-新近系渐新统、中新统、上新统和第四系,其中缺失上白垩统、古新统、始新统地层。下白垩统与渐新统之间为最主要的不整合界面(图 2)。以此不整合面为界花海坳陷可明显地划分为两大构造演化阶段:早白垩世的拉张阶段及新生代以来的挤压阶段(王世成等,1999)。早白垩世新民堡群分布广泛,为滨浅湖一半深湖相沉积,是盆地生油岩的主要发育时期,具有生油岩厚度大、有机质丰度高、分布范围广、类型较好, 且已普遍成熟等特点(任战利等,1995卢进才等,2017)。

图 2 花海盆地地质略图(据徐学义等,2009修改) Fig. 2 Sketch geological map of the Huahai basin (modified from Xu et al., 2009)
3 技术试验

为获得最优反射信息,开展点试验,进行小、中、大炮炸药井炮激发参数对比优选(井深、药量和组合井数),试验点及接收排列高程如图 3

图 3 点试验接收排列高程图 Fig. 3 Point test receiving arrangement elevation map

对于中小炮实验采用的观测系统为19180- 20-40-20-19180,960道对称接收;大炮实验采用的观测系统为40-20-57100,1428道单边接收。本次采集实验使用SN7C-10 Hz超级检波器,组合方式为矩形面积组合,10个检波器为1串,组内距Dx= 3 m,Dy=3 m,组内基距Lx=12 m,Ly=3 m,组合高差控制在2 m之内。地震记录仪器使用428XL数字地震仪器;小炮、中炮记录长度30 s,大炮60 s;在采样间隔上,小炮、中炮间隔2 ms,大炮则为4 ms;采用SEG-D的记录格式、12 dB的前放增益、0.5 N_LIN的前置滤波,以及不设置低截频率(实验对比内容见表 1)。

表 1 实验对比内容 Table 1 Experimental comparison table
4 试验资料分析 4.1 小炮试验

小炮实验采用的采集参数是道距40 m,最小偏移距20 m,最大偏移距19180 m,960道对称接收。小炮试验点接收排列地表高程如图 4

图 4 小炮试验点接收排列地表高程图 Fig. 4 Small cannon test point receiving and arranging surface elevation map
4.1.1 小折射记录

为获得小炮试验点下低速层厚度,采用重锤激发排列接收的小折射方法记录并计算出低速层厚度(图 5)。根据调查结果,该点处低速带厚度5.1 m。

图 5 小炮小折射记录及时距曲线 Fig. 5 Small cannon small refraction record and hodograph
4.1.2 单井药量对比

表 1所示,小炮单井药量试验控制井深30 m,前人调查显示,花海盆地的潜水面深度为20 m(程远顺, 2011),因此30 m的井深能够确保炸药在潜水面之下激发。三个对比药量分别为36 kg、48 kg、60 kg。

明显看出,36 kg药量激发不足以反映地下地层信息,下传能量散失严重;48 kg、60 kg药量能量稍强。在图 6中,48 kg、60 kg药量激发获得的反射信息中,12 s以浅的地层反射信息丰富,可见6组反射;而在36 kg药量上并不明显。在图 7图 8中,60 kg激发较48 kg激发反射能量稍强,但都能见到丰富的反射信息,并获得清晰的MOHO反射;相反在36 kg药量上并不显著。

图 6 小炮单井自动增益 Fig. 6 Small cannon single well automatic gain
图 7 小炮单井低通滤波0~10 Hz Fig. 7 Small cannon single well 0~10 Hz low-pass filter
图 8 小炮单井带通滤波20~40 Hz Fig. 8 Small cannon single well 20~40 Hz bandpass filter
4.1.3 组合井药量对比

表 1所示,小炮组合井药量试验控制井深20 m,两个对比组合井中单井药量分别为24 kg、30 kg,在1800 m/s以上的高速层中或潜水面下激发。试验过后获得反射信息,经过自动增益后结果如图 9,经过低通滤波0~10 Hz处理后结果如图 10,经过带通滤波20~40 Hz处理后结果如图 11

图 9 小炮组合井自动增益 Fig. 9 Small cannon combined well automatic gain
图 10 小炮组合井低通滤波0~10 Hz Fig. 10 Small cannon combined well 0-10 Hz low-pass filter
图 11 小炮组合井带通滤波20~40 Hz Fig. 11 Small cannon combined well 20-40 Hz bandpass filter

图 9中,两种药量对比下都能获得丰富的反射信息;而在图 10图 11中虽然能看到清晰的MOHO面反射,但整体对比来看,组合井深比单井深小炮稍差。

4.2 中炮试验

中炮实验采用的采集参数和小炮实验相同,是道距40 m,最小偏移距20 m,最大偏移距19180 m,960道对称接收。中炮试验点接收排列地表高程如图 12

图 12 中炮试验点接收排列地表高程图 Fig. 12 Medium cannon test point receiving and arranging surface elevation map
4.2.1 小折射记录

为获得中炮试验点下低速层厚度,采用重锤激发排列接收的小折射方法记录并计算出低速层厚度(图 13)。

图 13 中炮小折射记录及时距曲线 Fig. 13 Medium cannon small refraction record and hodograph

根据调查结果,该点处低速带厚度3.6 m。

4.2.2 组合井药量对比

表 1所示,中炮组合井药量试验控制总药量为150 kg,三个对比中参数分别为井深35 m两口井、井深25 m三口井以及井深25 m四口井,在1800 m/s以上的高速层中或潜水面下激发。试验过后获得反射信息,经过自动增益后结果如图 14,经过低通滤波0~10 Hz处理后结果如图 15,经过带通滤波20~40 Hz处理后结果如图 16

图 14 中炮组合井自动增益 Fig. 14 Medium cannon combined well automatic gain
图 15 中炮组合井低通滤波0~10 Hz Fig. 15 Medium cannon combined well 0-10 Hz low-pass filter
图 16 中炮组合井带通滤波20~40 Hz Fig. 16 Medium cannon combined well 20-40 Hz bandpass filter

图 14中,9 s以浅反射信息较强,信噪比高,而9 s以深,受干扰波影响,反射信息不明显;在图 15中,经过10 Hz低通滤波处理后,9 s以深可以看到有效反射,在15 s左右可见MOHO面反射。总体上从中炮不同组合井试验对比分析来看,总药量一致,中炮的能量、信噪比差异不大。15 s左右均可见MOHO反射。

4.3 大炮试验

大炮实验采用的采集参数是道距40 m,最小偏移距20 m,最大偏移距57100 m,1428道单边接收。大炮试验点接收排列地表高程如图 17

图 17 大炮试验点接收排列地表高程图 Fig. 17 Cannon test point receiving and arranging surface elevation map
4.3.1 小折射记录

为获得大炮试验点下低速层厚度,采用重锤激发排列接收的小折射方法记录并计算出低速层厚度(图 18)。

图 18 大炮小折射记录及时距曲线 Fig. 18 Cannon small refraction record and hodograph

根据调查结果,该点处低速带厚度3.2 m。

4.3.2 组合井药量对比

表 1所示,大炮组合井药量试验控制总药量为496 kg,三个对比中参数分别为井深45 m四口井、井深35 m六口井以及井深25 m八口井,在1800 m/s以上的高速层中或潜水面下激发。试验过后获得反射信息,经过自动增益后结果如图 19,经过低通滤波0~10 Hz处理后结果如图 20,经过带通滤波10~20 Hz处理后结果如图 21

图 19 大炮组合井自动增益 Fig. 19 Cannon combined well automatic gain
图 20 大炮组合井低通滤波0~10 Hz Fig. 20 Cannon combined well 0-10 Hz low-pass filter
图 21 大炮组合井带通滤波10~20 Hz Fig. 21 Cannon combined well 10-20 Hz bandpass filter

图 20中,经过低通10 Hz处理后可以看出面波发育较强,但15 s左右可见MOHO反射。整体上从大炮不同组合对比试验分析来看,总药量496 kg,各井数组合激发大炮能量较强,能量传播到57 km远的排列。但各组合大炮彼此品质差异不大。通过10 Hz以下、15 s左右可见到MOHO反射。

5 结论

花海盆地是本次深反射地震剖面调查的重要组成部分,为了在正式采集中获得高质量的原始数据奠定基础,笔者通过小炮、中炮和大炮的各种对比试验,探索试验出适合于花海盆地勘探的深地震反射采集参数。获得以下几点结论:

(1)在小炮实验中,经过对比发现,在药量对比上,36 kg反映出的反射信息没有48 kg和60kg反映出的丰富,在MOHO反射的清晰度上后者更为清晰;在井深对比上,单深井激发整体效果比组合井激发整体效果好。小炮激发参数为单井药量48 kg在高速顶下潜水面下3 m激发,最浅井深为30 m,而在成井特别困难区域,采用20 m井深,总药量48 kg两口井为一组的组合井参数。

(2)在中炮和大炮实验中,不同组合井对比差异不大,都可获得清晰的MOHO反射。整体来看,随着药量增大,激发能量增大,但面波、折射波等干扰波能量也在增强,因此,小炮干扰波能量最弱,反射信息最丰富,中炮和大炮干扰波较发育,12 s以浅反射信息不如小炮丰富。但通过后期去噪处理,也能得到中浅层反射信息。MOHO面反射主要集中在低频10 Hz以下频带。中炮的采集参数为总药量150 kg在高速顶下潜水面下3 m激发,最浅井深为25 m,三口井为一组的组合井或者总药量150 kg在高速顶下潜水面下3 m激发,最浅井深为38 m,两口井为一组的组合井。大炮采集参数设置为总药量496 kg在高速顶下潜水面下3 m激发,最浅井深为40 m,六口井为一组的组合井。

致谢: 感谢中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司吐哈物探处和工程技术人员付出的辛勤工作!感谢审稿专家提出的修改意见!

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