近地表爆炸地震波激发机理与模型研究

Owing to the blast-induced seismic wave has a strong energy, a wide frequency spectrum and it is convenient for application, explosion source is commonly used for onshore seismic exploration. As the prospecting targets become smaller and smaller, prospecting accuracy can no longer meet the demand which is influenced by the amplitude and frequency characteristics of the seismic wave field. However, the efficiency of existing explosive source excitation design is low, because there is still no theory to completely describe the whole process of seismic waves induced by explosion source..This subject intends to establish a theoretical model based on the study of the mechanism of blast-induced seismic wave near the surface. Then a seismic wave field analysis program is developed. The main work is as follows:.First, the cavity source model was developed, a theoretical model for seismic wave generated by a point explosive source is established, and the relationship between the explosion source’s characteristic parameters and the amplitude-frequency characteristics of the seismic wave was obtained. Second, a model for seismic wave generated by a point explosive source near surface is established by introducing the reflection of the seismic waves. Third, a model of the blast-induced seismic waves near the surface is established by introducing the superposition of the seismic waves. Finally, a seismic wave analysis program is developed based on the theory model, and the program’s reliability is evaluated by the explosion experiments in the soil..The investigations in this paper provide a scientific method for the quantitative and precise exploding, which is significant for high-precision seismic exploration.

炸药震源激发的地震波能量强、频带宽、适用范围广，是陆上油气勘探中最常用的震源。随着勘探的目标越来越小，目前地震勘探的精度已经无法满足需求。炸药震源激发地震波的幅频特征直接影响了地震勘探的精度，但由于缺少完整描述炸药震源激发地震波全过程的理论模型，导致现有的炸药震源激发设计效果不显著。.本课题拟对近地表炸药震源激发地震波场机理进行研究，以此为基础建立理论模型并开发地震波场分析程序，主要工作如下：.首先发展空腔震源作用模型，建立点震源激发地震波理论模型，得到炸药震源初始特征参数与地震波场幅频特征的关系。其次引入波场反射模型，建立近地表条件下点震源激发地震波理论模型。再次引入波场叠加模型，建立近地表炸药震源激发地震波理论模型。最后基于该模型开发波场分析程序，并开展土中爆炸实验考核分析程序的可靠性。.本文的研究工作为进一步实现定量化精确激发提供了科学的研究方法，对于高精度地震勘探具有重要意义。

炸药震源激发的地震波具有能量强、频带宽、适用范围广等优点，是陆上油气勘探中最常用的震源。随着地震勘探精度的需求不断提高，对炸药震源激发的地震波场进行精细化控制至关重要。不仅要控制地震波场的幅频特征，提高地震勘探分辨率，还要控制炸药震源激发引起的地震效应，保证临近探区人员及建筑物的安全。为了实现地震波场的精细化控制，要以炸药震源激发地震波场理论为基础，进行炸药震源设计。目前缺少完整描述炸药震源激发地震波全过程的理论模型，无法从定量的角度对地震波场进行控制。.本项目对炸药震源激发地震波场控制理论进行了研究，以此为基础提出了地震波场的控制方法并进行了实际应用，主要工作及成果如下：.(1)发展了空腔震源作用模型。建立了炸药震源激发地震波理论模型，得到了炸药震源的特征参数与地震波场幅频特征的关系。针对空腔震源模型中简化炸药震源作用效果的问题，建立了空腔膨胀模型来描述炸药震源的作用效果，将该模型得到的弹塑性边界特征作为空腔震源模型的初始条件，从而建立了炸药震源激发初始地震波理论模型。针对该模型无法描述波场频谱衰减的问题，在空腔震源模型的基础上引入了粘弹性介质模型，最终建立了能够完整描述炸药震源激发地震波全过程的理论模型。.(2)开展了近源波场试验与炸药震源激发地震波过程数值模拟，对炸药震源特征参数与波场幅频特征之间的关系进行研究。通过近源波场试验，得到了爆炸空腔、介质中的压力分布特征以及波场频谱特征，实测结果与炸药震源激发地震波理论模型计算结果相吻合，表明了理论模型能够较好地通过炸药震源特征参数预测地震波场的频谱特征。通过开展炸药震源激发地震波过程的数值模拟研究，得到了爆炸空腔、塑性区与弹性区的发展规律，以及波场的幅频特征，利用数值模型分析了炸药震源特征参数对波场幅频特征的影响规律，为进一步实现地震波场控制提供理论指导。. (3)基于炸药震源激发地震波理论模型，提出了高频高能炸药震源设计方法。该方法通过药震源激发地震波理论模型，将地震波场幅频特征的控制目标转换为炸药震源特征参数(爆炸压力P，膨胀指数γ)的控制目标；通过炸药震源特征参数设计，得到满足勘探需求的炸药震源；通过新型炸药震源(高氯酸铵和铵梯铝)与常规炸药震源(铵梯和乳化炸药震源)的激发效果对比试验，表明本文提出的高频高能设计方法，能够通过控制炸药震源特征参数，最终实现提高地震勘探分辨率。