2020, Vol. 63
2. 中国地震局地球物理勘探中心, 郑州 450002;
3. 河南理工大学 煤层气/瓦斯地质工程研究中心, 河南焦作 454000;
4. 江苏省地震局, 南京 210014
, CHEN Yong1
, WANG FuYun2, CAO YunXing3, WANG HengZhi4, TIAN Lin3, XU Yong2, GUO XinJing2, FENG ShengQiang2, HU XiaoPeng2
2. Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China;
3. Gas Geology and Engineering Research Center, Henan Polytechnic University, Jiaozuo Henan 454000, China;
4. Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China
炸药作为传统的地震波激发源，在资源、工程以及深部地质勘查中被广泛的使用(Feng et al., 2016).近年来，由于管理、运输、存储成本，以及环保、安全等方面原因，其在人工地震勘探中的应用受到了越来越多的限制.研发可替代炸药震源的安全、高效的新型地震波主动激发源是当前地震勘探领域的迫切需要(陈颙等, 2007;王伟涛等, 2009;王宝善等, 2016;张元生等, 2016;翟秋实等, 2016; Chen et al., 2017).
河南理工大学利用液态二氧化碳物理相变技术致裂煤矿井下低透气性煤层，在井下瓦斯治理领域进行了规模化的工业试验和应用，取得了良好的瓦斯抽采和防突效果(曹运兴等, 2017).二氧化碳物理相变膨胀致裂过程与炸药以及其他气相爆轰震源(Wang et al., 2019)的爆炸在视觉效果上类似，但具有不产生明火、是物理相变而非化学反应、排出物为不污染环境的气态CO2等诸多优势(Hu et al., 2019).能否将该技术应用于新型主动震源研发，在一些无法或不允许采用传统炸药震源施工的特殊工作场合使用，如城市地下空间探测(常旭等, 2008)、煤田矿区人工地震探测等(Pretorius et al., 2000; White et al., 2000;董树文等, 2010;吕庆田等, 2010;陈明春等, 2015)，是一个非常值得研究的课题.为此，南京大学和河南理工大学、太原理工大学、南京理工大学、中国地震局物探中心等多家单位合作，开展了利用二氧化碳相变技术激发地震波信号，以及将该技术应用于新型震源研发的可行性研究.
1 二氧化碳相变激发技术基本原理二氧化碳的物理相变膨胀过程：液态二氧化碳受热后相变气化，体积可瞬间膨胀将近600倍，在该过程中产生的高压气体以极高的速度向周围扩散，产生类似于爆炸的效果.该过程可用公式直观的表示为：液态CO2+加热->气化膨胀≈爆炸(张军胜, 2014).
二氧化碳相变激发装置(图 1)基本原理：在爆炸器主管内充装液态二氧化碳，运用发爆器快速启动加热装置，使液态二氧化碳瞬间气化体积膨胀并产生高压，当压力达到通过工艺设定的爆破片极限强度时，高压气体将爆破片冲开，并迅速释放，产生与炸药爆炸相类似的效果.其中：在当前工艺条件下液态二氧化碳的气化膨胀过程可在20 ms内完成；产生的高压气体可达270 MPa以上；每次激发后加热器和破裂片需要更换，其余主体装置部件可重复使用(郭杨霖, 2017).
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图 1 二氧化碳激发装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of CO2 active source device |
讨论将二氧化碳相变激发技术应用于新型震源研发，在特殊勘探领域或工作场合加以利用的可行性，首先需要回答二氧化碳相变膨胀过程能否激发产生有效的地震波信号，以及地震波信号的能量、频带、子波特征等这些勘探地震学所关心的问题.回答这些问题最直接有效的研究方法是进行野外试验.为此南京大学组织多家单位合作，在已知地下成层性较好的山西某煤田地震勘探作业区，开展了尝试利用二氧化碳相变技术激发地震波信号并与传统炸药震源进行对比的野外激发-观测实验.
实验场地位置如图 2所示，其中红色方框为震源激发场；绿色直线为Aries2.66型地震仪器布设位置(5 m道间距，261道，垂直分量地震检波器)；蓝色标记为PDS-2型三分量地震仪器布设位置(其中，在震源近场±5 m、20 m、40 m位置分布有4台).
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图 2 CO2震源野外试验场地 Fig. 2 Graph of CO2 source field test site |
实验场地位于山西襄垣古韩镇北西方向8 km处，地表大部分被第四系黄土覆盖，属黄土残塬-沟壑侵蚀地貌，地表高程在966~1025 m之间.根据地质研究成果(秦勇等, 2016)，地层由老到新依次有：奥陶系中统峰峰组，石炭系上统本溪组，石炭系上统太原组，二叠系下统山西组，二叠系中统下石盒子组、上石盒子组，第四系中更新统、上更新统、全新统.根据已有人工地震勘探成果实验场地地下结构成层性较好.
2.2 CO2相变激发以及与传统炸药震源对比实验的情况CO2相变激发以及与传统震源的对比实验于2018年12月09日开展，共进行了9次采用不同激发参量、激发井深的CO2相变激发(1~5#、10~13#)，以及4次在邻近激发点位置的炸药震源激发(6~9#).详细情况如表 1所示.
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表 1 CO2相变震源野外实验激发参数 Table 1 CO2 phase change source field test excitation parameters |
针对实测到的CO2相变激发产生的地震波数据以及作为参照的炸药震源激发产生的地震波数据，从野外地震记录震相识别与分析、地震初至波传播距离分析、震源近场地震信号时频分析、震源子波提取、基于CO2震源子波的地震初至波波形反演成像实验等多个方面，进行了处理和分析.
2.3.1 野外地震记录震相识别及初至波传播距离分析Aries2.66型地震仪器道间距为5 m，采用垂直分量地震检波器，其布设目的为采集到可连续追踪震相的实验数据.本次实验第2次激发(CO2)和第8次激发(炸药)的地震记录对比如图 3所示.可以看到，虽然在能量方面稍弱，但在CO2地震记录上同样可以识别出与炸药震源记录相对应的地震初至波、有效反射波、面波等震相.就图 3展示的实验结果而言，第2次激发(CO2)地震记录图上可追踪的地震初至波传播距离达到了约1 km.但是，值得注意的是，在激发-延迟时间(TimeBreak)方面第二次激发(CO2)表现出了较大的误差，其误差量级在几十毫秒(如图 3所示).其它次序的CO2试验结果存在类似的问题.时间同步对于人工地震勘探来说至关重要(Xia, 2014; Zheng et al., 2016a;王一博等, 2016; Wang et al., 2018)，在今后的研究过程中激发-延迟时间的精确性和稳定性需要加以重视.
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图 3 CO2(a)及炸药震源(b)垂直分量地震记录 Fig. 3 CO2 (a) and dynamite source (b) vertical-component seismic record |
PDS-2型三分量地震仪的布设目的为采集震源激发点附近(40 m范围内)的三分量地震数据，为震源近场地震信号时频分析、子波提取等方面研究工作提供数据支撑.此外，PDS-2型三分量地震仪实测得到的震源激发点临近区域地面质点振动速度的绝对值(以cm·s-1为单位，未经过反射地震仪器采集时的组合滤波和增益放大作用)，可作为后续新型震源施工安全避让距离评估工作中的基础数据.
本次研究从数据采集结果中选择激发点位置邻近，可比性强的第9次激发(炸药震源)和第10次激发(CO2)实验数据进行对比分析.所选数据的三分量地震仪器分别位于距离激发点5 m、20 m和40 m的位置.第9次激发(炸药)和第10次激发(CO2)产生的震源近场地震波三分量记录、地震信号短时傅里叶变换时频分析结果和傅里叶变换振幅谱分析结果(郭晓等, 2010;李稳等, 2016; 林向东等, 2019)分别如图 4和图 5所示.可以看到，在连续采集取得的三分量地震记录中有效地震波信号清晰可辨，在时频谱图中表现为集中的能量团.通过自动识别峰值的方法在频谱图上确定优势频率(主频)，可以看到本次实验第9次激发(炸药)和第10次激发(CO2)产生的地震波信号的主频不高，在8~13 Hz之间，推测这与新型震源特性、场地地质条件和炮井质量等多种因素有关.
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图 4 传统炸药震源近场三分量地震记录及时频分析结果(第9次激发) Fig. 4 Near-field three-component seismic records and time-frequency analysis results of traditional dynamite seismic source (Test No 9) |
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图 5 二氧化碳震源近场三分量地震记录及时频分析结果(第10次激发) Fig. 5 Near-field three-component seismic records and time-frequency analysis results of carbon dioxide seismic source (Test No 10) |
采用相同的数据分析方法对本次实验共13次激发产生的震源近场地震波信号进行分析处理，得到的震源近场地震波信号主频统计分析结果如图 6所示.可以看到，总体而言本次实验激发产生的震源近场地震波信号的主频都不高，而炸药震源略高于二氧化碳相变激发.据此建议，针对目前的CO2地震波激发装置，将其应用于人工地震勘探工作时可优先考虑选用固有频率5 Hz以下的低频检波器.
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图 6 震源近场三分量地震数据主频统计分析 Fig. 6 Main frequency of near-field three-component seismic data |
在地震勘探中子波是一个非常重要的概念(段云卿, 2006;高静怀等, 2006;杨微等, 2013;王一博等, 2016; Zheng et al., 2018).根据地震褶积理论，地震子波与地下反射系数序列的褶积形成地震道(杨培杰等, 2008).从严格意义上来讲，地震子波同震源子波的概念是有区别的.我们通常所说的地震子波实际上是指震源子波经过除了反射系数以外的许多因素影响后的综合结果.因此可以用下式来描述地震子波与震源子波的关系：
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(1) |
其中，o(t)为震源子波，g(t)为地层响应，τ(t)为透射响应，d(t)为地面接收响应，i(t)为仪器响应.更进一步，fg(t)=g(t)*τ(t)代表大地滤波器，fd(t)=d(t)*i(t)代表接收滤波器.因此，对于本次实验来说，提取新型CO2震源子波是指：在震源近场范围(≤±5 m)，假设反射系数序列为高斯白噪声并忽略大地滤波作用和接收滤波作用的影响，利用信噪比较高的实测地震记录提取出具有广泛参考价值的地震子波作为震源子波.
3.2 二阶统计量方法提取CO2震源子波二阶统计量方法通过利用地震数据的二阶统计量信息提取地震子波(袁园, 2013).对于本次CO2实验来说，采用该方法根据震源近场地震数据x(n)提取震源子波b(n)的详细步骤如下：
① 选择震源点附近质量较好的地震记录x(n)；②假设反射系数序列为高斯白噪声，计算地震记录x(n)的振幅谱|X(ω)|，进而得到震源子波的振幅谱|B(ω)| = |X(ω)|；
③ 对|B(ω)|取对数，得到震源子波振幅谱的对数ln |B(ω)|；
④ 对ln |B(ω)|进行反傅里叶变换，得到实因果序列a(n)=ao(n)+ae(n)的奇部ao(n)=IFFT ln |B(ω)| (a(n)的物理含义为震源子波对数谱的时间序列)；
⑤由于因果性，a(n)可通过公式a(n)=u(n)ao(n)计算得到；其中：
⑥ 对a(n)进行傅里叶变换可得到A(ω)，A(ω)即为震源子波b(n)的对数谱lnB(ω)=A(ω)；
⑦ 由此可计算震源子波的频谱B(ω)=eA(ω)；
⑧ 对B(ω)进行反傅里叶变换即可求得震源子波b(n).
据此，根据震源近场实测地震数据提取CO2震源子波的详细计算过程如图 7所示.
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图 7 根据实测地震数据利用二阶统计量方法提取CO2震源子波 Fig. 7 Extracting CO2 source wavelet based on second-order statistics of measured data |
新型震源研发的重要目标是服务于地震勘探(Zhang et al., 2011; Yao et al., 2015;郑忆康等, 2016).根据本次CO2实验的实验过程及实验数据特征，从充分发挥新型震源施工效率、传播距离等方面特点和优势的角度考虑，本研究进一步开展了基于CO2震源子波的地震初至波波形反演实验研究.开展该方面研究的原因在于：①除了地震波走时信息以外，进一步利用地震数据的波形信息是当前勘探地震学的发展方向(郑忆康等, 2015;林向东等, 2017;王赟等, 2017; Wang and Song, 2018; Lin et al., 2018; Zheng et al., 2019).②在波形反演研究工作中通常采用雷克子波作为震源子波(Yao et al., 2019a, b )，电火花、二氧化碳相变激发等新型震源技术所产生的地震波信号是否适用于波形方面的研究工作有必要进行试验验证.③仅利用能量强、可识别性好的地震初至波进行计算，能够在较大程度上降低相对于全波形反演来说对于初始模型的依赖(Zheng et al., 2016b).
4.1 地震初至波波形反演算法流程地震初至波波形反演(Luo et al., 1991; Wang et al., 2017)相对于经典全波形反演算法(田小波等, 2004; Xu et al., 2007; Wang et al., 2014b; Bohlen et al., 2016)的主要不同之处，仅在于反传的地震数据是考虑了时移校正的地震初至波伪残差(δτ)，其计算方法如公式(2)所示：
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(2) |
其中，Δτ为初至波走时残差，
在反演算法方面，可采用通过求取目标泛函对模型参数的导数寻找迭代更新方向，然后通过三点抛物线方法等求取迭代步长实现对模型更新的梯度导引类反演方法(Zheng et al., 2013).在本研究中实现速度模型迭代更新的详细步骤为：
① 根据单炮地震观测系统，通过正演计算得到模拟地震记录；
② 观测地震记录已知，通过公式(2)计算出地震初至波伪残差；
③ 反传地震初至波伪残差并重建震源波场；
④ 计算伪残差反传波场时间导数与震源正传波场时间导数在相应时刻的乘积并累加求和，得到单炮模型更新梯度；
⑤ 对所有炮重复上述①~④步骤，再进行叠加，计算得到模型的整体更新梯度；
⑥ 利用三点抛物线法计算扰动步长，并与模型更新梯度相乘求取模型迭代扰动量.
4.2 CO2震源初至波波形反演数值模拟实验采用前文中提取的CO2震源子波和上述地震初至波波形反演算法流程，针对Overthrust模型浅部结构进行地震初至波波形反演实验的结果如图 8和图 9所示.反演实验采用了在模型顶部所有400个网格点全部布设检波器，每隔一个检波点设置一个炮点的地震观测系统.
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图 8 观测记录(a)、模拟记录(b)、初至波残差(c)示意图 Fig. 8 Schematic diagram of observed record (a), calculated record (b), and pseudo-residual of the first arrival wave (c) |
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图 9 CO2震源子波地震初至波波形反演成像实验结果(a)初始模型；(b)反演结果；(c)真实模型 Fig. 9 Seismic first arrival wave waveform inversion result of CO2 source wavelet (a) Initial model; (b) Inversion result; (c) Real model |
图 8为第151炮相应的观测地震记录(图 8a)、第46次迭代模拟地震记录(图 8b)和计算出的地震初至波伪残差(图 8c).其中红色和绿色线条分别为在计算过程中程序自动拾取的地震波初至(Wang et al., 2014a; Tian et al., 2018)，其差值即为公式(2)中的初至波旅行时残差(Δτ).图 9为第46次(最后一次)迭代速度模型(图 9b)与初始速度模型(图 9a)和真实速度模型(图 9c)之间的对比.可以看到在本实验中，从近于‘平板速度’的初始模型出发，经过46次迭代，模型浅部的反演结果达到了与真实模型非常接近的程度.需要说明的是，由于地震初至波波形反演仅利用初至波数据进行计算，模型深部由于无地震数据约束，故而无法得到正确的反演结果.但是在生产中由于地震初至波相对于其他震相而言具有能量强、传播距离远、可识别性好等优点，因此先进行地震初至波波形反演取得近地表速度模型，再以其作为初始模型进行后续全波形反演等方面研究，是一种可行且实用的地震数据处理流程(Zheng, et al., 2016b).
5 结论本次研究利用在山西襄垣实验场实际观测到的CO2相变激发反射地震记录和震源近场三分量地震记录，从震相识别、初至波传播距离分析、震源近场地震信号时频分析、震源子波提取、基于CO2震源子波的地震初至波波形反演试验等多方面入手，进行了关于能否将CO2相变技术应用于新型震源研发的可行性研究.主要结论如下：①在野外地震记录上能够清楚的识别出与炸药震源记录相对应的初至波、反射波、面波等震相；②在激发能量方面，CO2相变激发产生的地震初至波传播距离能够达到约1 km；③本次实验CO2相变激发震源近场地震信号的主频集中于8~13 Hz，略低于作为参考的邻近激发点位置的炸药震源数据，如果应用当前的CO2相变激发装置进行人工地震勘探工作建议优先选用固有频率不高于5Hz的低频检波器；④从提取出的CO2震源子波，以及基于CO2震源子波的地震初至波波形反演试验结果来看，CO2震源可以应用于波形反演等方面的研究工作；⑤就本次实验而言CO2相变激发在激发-延迟时间方面表现不佳，在后续研究过程中应注意改进工艺.
CO2相变激发技术的排出物为二氧化碳，其在常温下是一种无色无味、不助燃、不可燃的气体，结合地震勘探行业要求对该激发技术进行研究和改进，有望为城市地下空间探测、煤田高瓦斯区地震探测等特殊研究领域和工作场合，提供一种安全可靠、环境友好、能量较强的新型人工地震波激发装置.
致谢 非常感谢匿名审稿专家对本文提出的明确、详细、有建设性的修改意见！
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