松南新区突泉盆地二维地震激发效果分析

2023-02-26

松南新区突泉盆地位于内蒙古自治区兴安盟科右中旗-突泉县与吉林省洮南市西部地区一带, 在构造上位于大兴安岭隆起带与松辽沉降带之间, 呈NNE向展布, 为典型的陆内裂陷盆地[1]。工区西北部地表以山地为主, 东南部地表地势较为平缓, 多为第四系泥沙覆盖, 4-6米以下为火成岩、变质岩和碎屑岩等岩石, 局部有岩石出露, 平原、丘陵地段近地表为砂、泥岩和火山碎屑岩及风化层互层, 山间冲沟、古河道砾石及卵石发育。该区东南部分地表主要有浮土、草地和农田等, 一致性较好, 但部分区域存在砾石区。砾石区钻井成井困难, 为此针对砾石区进行了激发因素的分析研究。总体来说, 全区近地表地震地质条件较差, 属低信噪比地区, 但其中也会出现一些资料相对不错, 反射波组齐全、同相轴连续性较好、层位信息较为丰富的地段, 为了找出一定的规律, 对本区包含岩性齐全的生产线资料进行了对比分析。

一、砾石区激发因素分析研究

砾石由暴露在地表的岩石经过风化作用而成, 常沉积在山麓和山前地带;或由于岩石被水侵蚀破碎后, 经河流冲刷沉积后产生。本工区内砾石区多处于河道地带, 为第四系含砾石泥层。在施工中, 由于钻井时上冲水对粗砂的冲洗, 表层粗砂出现坍塌并形成较大空洞, 粗砂进入井中, 无法成井。因此, 在成井困难的区域, 要进行砾石区激发因素的分析研究。

1.激发井深

在只考虑虚反射界面对资料的影响时, 震源距虚反射界面越近, 有效波主频越高, 频带越宽[2], 但考虑到爆炸破碎区半径因素, 也不是距虚反射界面越近越好, 要防止炸穿虚反射界面产生震源次生干扰以及同时减少的有效激发能量, 从而使资料信噪比下降。最佳激发位置应选在虚反射界面下, 与之距离至少大于爆炸半径, 同时距离也不能过大[3]。

在近地表结构复杂, 微测井难以施工的情况下, 可以结合小折射的方法, 同时也可以将潜水面调查结果 (机井潜水面) 参与到地表模型建立中, 加强控制点密度, 得到更加精细的表层结构调查资料, 建立精确的近地表模型。

这里引用严东晋、孙传怀的研究结论, 使用声学近似法计算公式[4]:

rp为破碎区半径;rb为装药半径, μ为侧压力系数;ν为岩石材料泊松比;p为爆腔岩壁初始压力;ρ0为炸药密度;D为炸药爆轰速度;Rt为岩石抗拉强度;β为衰减指数;ρm为岩石密度;cp为纵波速度。

计算可得爆炸破碎区半径rp=0.46m

因此, 在砾石区成井困难的特殊地表, 确保药柱顶在潜水面0.5m以下激发可以保证足够能量下传。

2.组合井激发方式对比

因为单井激发作用在围岩上的面积较小 (特别是在垂直方向上) , 多井组合相当于一个平面波同时冲击压缩围岩, 作用面积大, 穿透能力强, 可以增强地下目的层的反射能量, 提高资料信噪比[5,6], 故在砾石区开展组合井试验。

在TQ-14-SN-397线上, 炮点桩号:2639.5, 该点成井极其困难, 采用固定井深 (潜水面0.5m以下) , 对比试验2口*2kg、3口*2kg、4口*2kg组合的采集效果。从分频记录上可以看出各单炮主要目的层连续性较好, 反射波组特征清晰, 分辨率较高, 可以满足本次地震资料采集要求。因此在施工中遇特殊地形时, 先进行正常钻井, 如不能成井, 则根据潜水面调查结果以及现场钻井得到的潜水面埋深, 设计最低井深不低于13.5米, 如果还不能成井, 可以采用保证在潜水面以下0.5m的组合井方式激发。

实际施工中, 有遇到其他特殊情况, 根据不同地点的成井难度, 尝试了不同组合井方式 (22m单井、9m双井、6m双井、4m四井) , 记录如图2、图3所示。

由分频记录可知, 在含砾石泥层潜水面以下0.5m激发时, 各井深激发反射层连续性好, 能量强, 完全满足资料采集需要;由单炮记录可知, 井过浅时 (4m、6m) , 会导致声波的产生, 同时产生的面波也会较强。

二、不同激发岩性效果分析

激发岩性分析:炸药激发时所产生的子波波形和振幅谱很大程度上取决于激发岩性, 在低速疏松岩石中激发时产生的震动频率低;在坚硬岩石中激发所得到的震动频率偏高;在胶泥、泥岩中或潜水面以下激发得到的震动频率比较适中。松南新区地表岩性横向变化大, 出露岩性主要有含砾石泥层、火山岩、火山碎屑沉积岩、砂岩、砾岩、砂砾岩、粉砂细砂岩互层等。从地层层序上来说, 就是第四系、白垩、白音高老组、付家洼子组、红旗组等。

结合勘探部署图和地质图, TQ-14-SN-405线满覆盖范围内岩性分布如表1所示:

从不同激发岩性的单炮记录对比 (图44) 上可以看出, 付家洼子组和红旗组激发效果好, 白音高老组和第四系激发效果次之, 白垩较差。分析其原因:砂、泥岩区域表层耦合性强, 激发条件较好;第四系含砾石泥岩区激发条件稍差, 地层松散, 对地震波有较强的吸收衰减作用;火山岩区由于激发岩性坚硬, 爆炸能量有大部分作用于岩石爆破, 下传能量损失比较大。

三、不同岩性接收效果分析

接收条件也是影响资料品质的重要因素。从单炮记录上看 (图5) , 火山岩 (玄武岩) 接收效果最差;火山碎屑沉积岩接收效果较差;第四系含砾石泥层效果一般;付家洼子组和红旗组接收效果较好。分析其原因:在不考虑地形起伏的影响下, 最重要的检波器与地面的耦合关系, 砂、泥岩地区由于表层条件好, 检波器埋置较为方便而且耦合效果好, 在碎屑沉积岩和火山岩地区, 检波器埋置的耦合性要稍差;在火山岩地区检波器埋置困难, 耦合性较差。