0 引言

采用震源药柱激发地震波，激发药性、药量、岩性、井深以及激发耦合方式等因素至关重要(李桂林等，2005；张文等，2010).复杂山地区主要激发岩性有砂泥岩、碳酸盐岩、变质岩、山前碎屑岩等，其中砂泥岩和灰岩分布较广(Cheng, 2005；唐汇超, 2012).在常规地震勘探中，以压制干扰，提高下传能量为目标选择最佳激发因素；在高分辨率地震采集中，以提高反射波高频信息为主要目标选择最佳激发因素，激发井深、岩性、药性和药量决定了反射波高频信息(Li and Guo, 2007；王益民等，2017).一般来说，硬度高、密度大、速度高的介质是最好的激发岩性(刘树田，1999；孙大明和邵维，2002).然而，复杂山区地表条件具有多样性，尤其在砂泥岩、灰岩出露的地表条件下，如何选择最佳激发因素，是复杂山区高分辨率地震勘探的关键所在(杨勤勇等，2009；Tong，2015).

本文结合川东北、川西南、南盘江等地区复杂表层结构条件下的高分辨率地震采集分析、探讨了采用适应近地表结构特征的动态井深设计、双微测井和综合表层结构调查成果设计井深等技术，取得良好地质效果.

1 震源激发与井深设计分析 1.1 震源激发地震波原理

药柱爆炸是一种非常迅速的物理和化学的转化过程，爆炸产生的气体迅速膨胀, 能量以冲击波的形式释放出来并向外传播，同时迫使爆炸空腔向外扩张(杨勤勇等，2009).当空腔停止扩张时，冲击波的形成过程也就结束了，随着传播距离的增加，很快蜕变为应力波，应力波又逐渐过渡到地震波.在爆炸过程中，大部分爆炸能量被吸收掉，剩余的能量将继续向外传播，形成具有弹性特征的地震波.在距爆炸点一定距离处均匀弹性介质中质点位移函数可写成(Sharpe, 1942；俞寿朋，1993；Ainalis et al., 2017)

(1)

式中a为爆炸形成的球形孔穴半径, m；p₀为作用于孔穴内壁上的压强, Pa，这里压强为阶跃函数，即当t < 0时压强为0，t≥0时压强为固定值p₀；μ为弹性常数；r为传播距离，m；t为传播时间, s；k为波传播的圆频率, rad·s^-1.且

(2)

式中v为激发岩石中地震波传播的速度, m·s^-1.

致密岩石爆炸孔穴半径a较小，从而激发的地震波频率高，而松散岩石爆炸孔穴半径a较大，激发的地震波频率低.

1.2 激发岩性分析

由于南方复杂山区地表岩性横向变化大，表层出露不仅有砂泥岩、灰岩，而且有变质岩、山前砾石层等.不同激发岩性的地震资料品质差异明显，灰岩区的资料品质比砂泥岩区和变质岩区较差.在坚硬的灰岩中激发，岩石的破碎带范围大，对爆炸时产生的高能、高频信息吸收衰减快(董良国，2005；Li et al., 2009)；灰岩区风化程度高、溶洞发育，增加了对地震波的衰减，并产生散射干扰波(Cheng et al., 2005).因此，在高分辨率地震采集中，根据微测井、高密度电磁法对表层结构探测结果，建立精细的近地表物性模型和速度模型，在此基础上选择激发条件：井位避开溶洞、垮塌发育带；井深位于泥质高、含水性好的层段；井数采用单深井或双井组合方式.

1.3 药量和药型分析

地震波能量大小、主频高低与药量的关系依据萨道夫斯基经验公式给出(熊代余和顾毅成，2002；杨勤勇等，2009)：

(3)

(4)

式中κ、a和β为与爆破条件、岩石特性有关的系数(由实验确定)；Q为炸药量，单位kg；R为爆心距, 单位m; V介质质点振动速度，单位m·s^-1.

地震波能量、主频与药量正相关、与传播距离负相关.药量大时，使得岩石破碎严重，能量消耗比较大, 干扰噪音的能量也增强，信噪比降低；同时，药量较大，意味着药柱长度较长，但细长药柱对周围岩石破坏较轻，激发的有效地震波能量强.细长药柱缺点是上下引爆点存在时间差，导致激发频带窄、主频低.药柱爆速与围岩速度相近时，激发的地震波能量强、主频高.

经理论分析及多次试验研究，目前南方复杂山区广泛采用直径60 mm细长药柱，其爆炸速度在5200 m·s^-1左右(张智等，2003；凌云，2001)，而高速层下地震波的传播速度介于3000~4000 m·s^-1之间.由于爆炸速度大于地震波的传播速度，药柱上、下依次引爆点存在时差，其不同的波前面亦产生时差.若药柱长为L，爆炸速度为v₁，激发介质中波的传播速度为v₂，药柱顶部点爆炸产生的波前与药柱底部点爆炸产生的波前到达同一位置存在一个时差ΔT(图 1) (Jianhua et al., 2016)：

(5)

时差ΔT与药柱长度L成正比关系.当f＜f_m=时, 频率成分得到保护，时，频率成分被压制.因此，ΔT的大小影响截止频率f_m的大小，ΔT越小，f_m越大，获得的地震子波频带越宽，主频相应提高(梁运基等，2006).经理论计算：ΔT=6 ms时，高频大致可保留到100 Hz；ΔT =3 ms时，则200 Hz的高频可以被保留；ΔT=1.5 ms时，则高频可以被保留到400 Hz.

经过计算：南方山区若采用药量18 kg, 则药柱长度约5.4 m, 爆炸时差ΔT小于1 ms，可知，细长药柱引起的低频效应并不显著，尽管如此，实际生产中, 在可以完成地质任务的情况下应尽量减少药量，缩短药柱长度，保持低频能量、有效反射能量适当.

2 井深设计的理论分析

在高分辨率地震勘探中，激发井深、激发岩性、以及激发震源与介质耦合条件是影响地震资料品质的重要因素(庄勇，2017).从理论上来讲，如果激发点位于低降速带内，激发出的地震子波振幅与频率都较低；如果有强虚反射界面的存在，在离强波阻抗界面远处激发，由于虚反射的影响，可使地震子波产生叠加畸变，使地震子波的频率降低(梁运基等，2006).南方复杂山区地形复杂，岩性变化大，潜水面较深，含水性差，井深设计还要综合考虑地形、岩性、含水性、高速层埋深分布等因素.

在高分辨率地震勘探中，虚反射对地震波的频带宽度有影响.研究认为(李桂林和钟俊义，2008)：炸药顶端距虚反射界面的距离ΔH要大于炸药的爆炸半径R，即

(6)

其中Q为炸药量，kg；K为比例系数(一般在实际计算中取为1.5).

两个相同频率信号叠加时，时差小于1/4周期，信号相干加强.因此，最高频率取决于虚反射波与一次波的时差，其时差ΔT=2ΔH/V，当ΔT＜T/4时，该频率信号加强，即

(7)

其中V为地震波传播速度，单位m·s^-1；T为波的周期，单位s；λ为波长，单位m.

如果最高保护频率为120 Hz左右，表层速度一般为3200~3600 m·s^-1，则ΔH=3~4 m.

综合以上两个方面，考虑一般药量12~16 kg, 其药柱长度3.6~4.8 m，最佳的井深应该在高速层下6~8 m左右，若激发岩性速度增高(如灰岩裸露区)，可适当增加井深.

确定激发井深通常有如下制约条件：最大下传能量、宽高频子波、爆炸半径、激发介质岩性与密度等.因此，查明近地表潜水面与高速层分布至关重要.南方复杂山区高速层直接出露于地表，基本上就没有潜水面分布，地震波受虚反射影响较小，因此井深设计主要考虑地形、岩性及含水性等.复杂山区炸药震源激发，主要选择在高速层中激发和优选好的岩性段(如砂泥岩、泥质灰岩、含水性好的岩性等)激发，优选岩性往往通过试验取芯、微测井调查、高密度电法调查、露头调查等手段进行.

3 应用实例 3.1 基于多因素的动态井深设计

川东北元坝东地区，地形起伏较大，切割剧烈，相对高差大，最低海拔300 m，最高海拔1338 m.地表出露地层主要为白垩系地层，工区南北分布有少量侏罗系地层，中南部地层倾角较小，北部倾角大，岩性主要有砂岩、泥岩等，石英砂岩主要分布在工区的南北两端.在该区高分辨率三维地震资料采集施工中，开展了以微测井为主的岩性和表层地质结构等近地表调查工作.综合考虑地形、低降速带结构、激发岩性、虚反射界面进行逐点超前设计，实现了复杂山地区的动态井深、药量设计(图 2)，保证了激发能量和观测系统属性平衡，拓宽优势频带.资料处理后剖面分辨率和信噪比较高，波组特征清晰，层间信息丰富，各层接触关系清楚，构造形态真实可靠.老资料采用井深20 m、药量16 kg；新资料采用井深23~26 m、药量14~16 kg(图 3).可见，新剖面同相轴清晰连续，主频较高，频带较宽.

3.2 基于双井微测井成果的井深设计

川西南地区地表地震地质条件复杂，山高坡陡，沟壑纵横，地形高差变化大，且植被发育.地表出露岩性主要以灰岩及砂泥岩为主，灰岩分布范围较小，砂泥岩分布相对较广，灰岩地层含水性差，频散严重，有效波衰减快，激发条件较差；砂泥岩地层的含水性较好，激发和接收条件较好.在该区的高分辨率地震勘探中采用单井及双井微测井相结合的方法，双井微测井资料涵盖了多层因素：激发岩层的速度、含水性、岩性、风化程度，据此划分低降速层厚度及高速层顶波阻抗界面，根据波阻抗界面深度及双井微测井子波特征分析来确定激发井深(李天树等，2004).

图 4为砂泥岩区一个双井微测井抽道记录以及解释成果.可以看出：低降速层厚度为10.54 m.按照一节药柱重量2 kg、长度60 cm计算，18 kg药柱总长度为5.4 m.低降速层厚度和药柱的长度之和为15.94 m，按照激发点位于高速层激发的激发要求，保证钻井井深要大于15.94 m.在该点进行井深分别为16 m、18 m、21 m、24 m、27 m和30 m，药量均为16 kg的激发试验.图 5中，原始单炮记录在激发井深为27 m和30 m时反射波能量强；在16 m、18 m、21 m与24 m时低频能量与反射波差异小.通过频率分析可以看出(图 6)：相同药量条件下，随着井深的增加，激发低频段能量逐渐减弱，高频段能量增强，频带相对变宽，视频率变高.

3.3 基于综合表层结构调查的井深设计

南盘江地区地形高差大、出露岩性交替多样、浅表地层结构复杂.近年来，在该区高分辨率地震勘探中，开展了微测井和高密度电法联合的表层地质调查工作(赵光辉，2006).将地表地质调查观测的地层岩性和产状标于高密度电法剖面上，电性分层结构与低降速带分层相关性好，据此建立的近地表物性模型与钻录井解释成果一致性好(图 7).根据分析成果，低电阻率一般为含水层，相对低电阻率一般为潮湿层，高电阻率一般为干燥层.在该点进行井深试验，设计井深20 m、28 m、45 m，药量14 kg，见表 1.

图 8的原始单炮记录固定增益显示中，45 m井深激发能量最强，20 m、28 m记录相对较差.对最深目的层进行定量分析(图 9)，45 m井深能量最强，信噪比最高，主频、频宽均大于20 m和28 m井深下的激发信号.可见，同是高速层中激发，低电阻率和相对低电阻率地层中激发资料好于高电阻率地层激发资料，说明电阻率的差异反应了近地表岩性与含水性的差异.在碳酸盐岩裸露区，保持在含水的灰岩中激发比在不含水的灰岩中激发条件好.在复杂山地区依据岩性的含水性来设计井深，能提高地震资料的分辨率和信噪比.

4 结论与认识

在南方复杂山区进行高分辨率地震勘探，要根据地表地质调查，单井、双井微测井资料、高密度电法成果资料，依据地表结构及岩性，合理选择激发因素，并通过试验确定激发井深、药量.

(1) 在表层岩性单一的地区，主要以低降速带波阻抗界面深度来论证激发井深，要选择在高速层中深井激发.

(2) 同一岩性，埋深不同、风化程度不同、含水性不同，造成物理特性不同，还要根据双井微测井速度及子波特征分层情况来设计井深.

(3) 激发因素要综合考虑最大下传能量、宽高频子波、爆炸半径、激发介质岩性与密度、炸药性能与激发岩性相关性等条件.

(4) 电阻率的差异反应了近地表岩性与含水性的差异，在碳酸盐岩裸露区，保持在含水的灰岩中激发比在不含水的灰岩中激发条件好.

(5) 利用微测井资料与高密度电法资料的有效组合，合理设计井位和井深，能有效改善记录品质，提高地震资料的信噪比和分辨率.

致谢

谨此祝贺姚振兴先生从事地球物理教学科研工作60周年.