跨孔地震層析成像是利用地震波探測(cè)地下介質(zhì)地質(zhì)情況的一種高分辨率地震勘探技術(shù)。地震層析成像的主要目標(biāo)，是確定地球內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)和局部不均勻性。這不僅促進(jìn)了地球科學(xué)的發(fā)展，而且解決了許多地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)資源開發(fā)中的難題。
與傳統(tǒng)物探方法相比，具有較高的分辨率和信噪比
跨孔地震層析方法的本質(zhì)上是對(duì)地震波在兩孔間地下介質(zhì)中的波速差異為物性基礎(chǔ)，通過采集初至波到達(dá)時(shí)間來反演得到孔間波速剖面的地震方法，它的優(yōu)點(diǎn)就是精度高，且不隨深度變化。一般的地面探測(cè)方法，其探測(cè)精度會(huì)隨著深度增加而變差，電法勘探和地震勘探的探測(cè)精度一般是以百分比來確定的，比如地震反射標(biāo)準(zhǔn)一般是5-10%，意思是100m深度其探測(cè)精度是5-10m，越深越差。其原因是高精度的高頻地震波在地層中衰減較快，深部的信息就只能通過低頻波反映。而探測(cè)精度與波長是反向相關(guān)的，波長越長，精度越低。
而跨孔地震層析成像將震源和接收器都放置在地表以下的孔中，震源和接收器在兩個(gè)平行的孔中伴隨到達(dá)最深處，因此其精度一般不隨深度變化。而且，跨孔地震層析成像的激發(fā)和接收點(diǎn)的密度是可以加密的，且電火花震源的頻率一般比較高，而高頻率、短波長又能帶來高精度。因此，采用跨孔地震層析成像技術(shù)能夠更精確地描述地下介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)和分布。
跨孔地震層析法相較于其他地球物理探測(cè)方法更精確，但由于其探測(cè)深度有限（一般在300米以內(nèi)），因此使用受到了一定的限制，在諸多新的研究領(lǐng)域，如碳捕獲和儲(chǔ)存CCS現(xiàn)場（地下約500-800米）、地?zé)釡y(cè)試現(xiàn)場（地下約750米）、深度礦藏探測(cè)（地下500米以下）等領(lǐng)域。而這些新領(lǐng)域則更需要精確的探測(cè)結(jié)果，為更深入的研究提供幫助，因此，大深度的跨孔地震層析成像設(shè)備就非常必要。
當(dāng)跨孔地震層析成像達(dá)到1000米，獲得更多可能
最新的TOMO1000大深度跨孔地震層析成像系統(tǒng)，通過在地表控制震源和接收系統(tǒng)，在巖土中探測(cè)地震波的傳播路徑和速度，并通過數(shù)據(jù)處理和層析成像技術(shù)得到地下巖土層的二維維結(jié)構(gòu)圖像。該系統(tǒng)最大探測(cè)深度可達(dá)1000米，探測(cè)分辨率高，可以獲取高精度的地質(zhì)信息。
TOMO1000是如何達(dá)到1000米的
該系統(tǒng)主要由兩部分組成：SBS1000震源系統(tǒng)和BHC1000接收器系統(tǒng)。
深層地震層析成像系統(tǒng)（左SBS1000、右BHC1000）
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SBS1000是一款超高頻震源單元，能夠大大增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和可靠性，并可控制震源振動(dòng)的激發(fā)頻次。
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BHC1000是一款多通道高精度傳聲器接收器單元，支持的多通道數(shù)據(jù)采集、直接模數(shù)轉(zhuǎn)換等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)。
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SBS1000+BHC1000成為實(shí)現(xiàn)1000米以內(nèi)深孔層析成像的理想選擇。
SBS1000+BHC1000深孔地震層析成像儀是基于多年從業(yè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累開發(fā)生產(chǎn)的新一代大跨度深孔成像設(shè)備，在探測(cè)深度、成像效果、信噪比、可重復(fù)性等方面均實(shí)現(xiàn)重大的技術(shù)突破。
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深度探測(cè)能力：TOMO1000可以探測(cè)到1000米的深度，這使得它可以適用于深部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。
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高頻率和高能量：SBS1000 MAGNUM電火花震源可以產(chǎn)生高頻P波，并具有出色的信號(hào)重復(fù)性和寬頻信號(hào)范圍，能量儲(chǔ)存為2000焦耳，使得地震信號(hào)更強(qiáng)大，提高了探測(cè)精度。
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便捷操作：系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)立，不需要額外的地震儀，只需要兩臺(tái)測(cè)井絞車就可以完成設(shè)備的升降操作。數(shù)據(jù)也可以直接顯示并存儲(chǔ)在筆記本電腦上，大大提高了操作的便利性。
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高效的數(shù)據(jù)處理：配套使用跨孔層析成像反演軟件，可以將處理后的地震走時(shí)反演為地震層析圖，實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)處理和清晰的地震圖像展示。
總的來說，TOMO1000具有精度高、深度探測(cè)能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但是其探測(cè)范圍、成本和操作要求的問題也應(yīng)引起注意。相較于現(xiàn)有探測(cè)手段，當(dāng)深孔地震層析成像的深度到達(dá)1000米時(shí)，所獲得的精確成果，可能意味著更多應(yīng)用與研究的可能。因此，在使用時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行權(quán)衡選擇。
碳捕獲與存儲(chǔ)CCS項(xiàng)目
跨孔地震層析成像深部探測(cè)能力驗(yàn)證
碳捕獲與存儲(chǔ)CCS
CCS，也被稱為碳捕獲與存儲(chǔ)（Carbon Capture and Storage），是一種能夠減少溫室氣體排放到大氣中的技術(shù)，通過捕捉二氧化碳，然后將其安全存儲(chǔ)在地下深層。
在碳捕獲與存儲(chǔ)（CCS）方面，TOMO1000深部跨孔層析成像系統(tǒng)能提供深度和精度的地震資料，這對(duì)評(píng)估潛在的二氧化碳儲(chǔ)存地點(diǎn)至關(guān)重要。
具體來說，CCS項(xiàng)目通常涉及向地下深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)注入和儲(chǔ)存二氧化碳，這需要對(duì)這些地質(zhì)結(jié)構(gòu)有深入的理解。例如，我們需要知道地下儲(chǔ)層的精確位置、形狀、大小和物理特性，以便了解它們能否有效地儲(chǔ)存二氧化碳，并確保二氧化碳的長期穩(wěn)定性。
TOMO1000能夠提供這樣的信息。它能產(chǎn)生高頻P波，獲得出色的信號(hào)重復(fù)性和寬頻信號(hào)范圍，使得可以對(duì)地下深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的探測(cè)和分析。此外，TOMO1000的1000米探測(cè)深度，足夠應(yīng)對(duì)大多數(shù)CCS項(xiàng)目的需求。
同時(shí)，這種設(shè)備可以通過生成地震層析圖，將地震走時(shí)反演為實(shí)際的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這對(duì)于理解和預(yù)測(cè)儲(chǔ)層性質(zhì)、二氧化碳的運(yùn)移和封存狀況非常重要。
在實(shí)際操作中，TOMO1000可以用于前期的儲(chǔ)層評(píng)估，也可以在注入及后期監(jiān)測(cè)階段，通過監(jiān)測(cè)地震波的變化，追蹤二氧化碳在地下的運(yùn)移情況?？偟膩碚f，這是一個(gè)非常有價(jià)值的工具，可以在碳捕獲和存儲(chǔ)項(xiàng)目中發(fā)揮重要作用。
挪威Svelvik試驗(yàn)場CCS鉆孔地震監(jiān)測(cè)
Svelvik CO2現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)室由一口中央注入井（B2）、四口監(jiān)測(cè)井（M1-M4）和進(jìn)行CO2注入實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)設(shè)施組成。注入井設(shè)計(jì)用于在小超壓條件下注入CO2，并在34至65m深度之間進(jìn)行篩選。四口監(jiān)測(cè)井用PVC套管套管至約100米深，并位于注入井周圍菱形的角落。監(jiān)測(cè)井位于距注入井9.9 m（M3和M4）和16.5 m（M1和M2）處。
? 測(cè)試流程
對(duì)于所有實(shí)驗(yàn)，地震源放置在鉆孔M4中，水聽器/檢波器地震接收器放置在鉆孔M3中。
在CO2注入前進(jìn)行了一次P波、SH波和SV波測(cè)量，作為基線測(cè)量。
在CO2注射期間共采集了8組P波層析成像數(shù)據(jù)。
在第0天和第1天進(jìn)行了2次P波調(diào)查，即上午和下午各一次。
在第0–2天，對(duì)下部區(qū)域進(jìn)行了SH波和SV波測(cè)量。
從第1天到第5天，對(duì)上部區(qū)域進(jìn)行SH波測(cè)量。
在數(shù)據(jù)處理過程中測(cè)量并考慮了鉆孔偏差。
只考慮具有相同深度的源和接收器，為每個(gè)井間組選擇所有波類型（P、SH和SV）的到達(dá)時(shí)間，并根據(jù)真實(shí)震源和接收器距離計(jì)算地震速度。下圖顯示了所有深度測(cè)量的計(jì)算P波、SH波和SV波速度，以及根據(jù)基線測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化的計(jì)算行程時(shí)間變化。
圖 井間數(shù)據(jù)分析：（a）P波（b）SH波和（c）SV波的歸一化波速相對(duì)于基線的時(shí)間變化（百分比）
圖中時(shí)間變化顯示了CO2氣體的影響。即使在第0天不同深度的注入開始不久，也可以看到變化。在約64m處，注入?yún)^(qū)沒有或只有輕微變化。顯著變化從第2天和第3天開始，深度約為38至40m。這對(duì)應(yīng)于地震速度從約2180m/s下降至2140m/s。b和圖c顯示了注入點(diǎn)附近下部區(qū)域SH和SV波速計(jì)算得出的速度下降。
（a）基線P波和（b）第4天數(shù)據(jù)的層析成像反演結(jié)果以及（c）差異層析圖（（基線-第4天）/基線）
如上圖，P波層析成像結(jié)果表明，水平分層沉積具有交替的高速和低速區(qū)，即低滲透性或高滲透性沉積物。
基線數(shù)據(jù)和注入CO2第4天采集的數(shù)據(jù)之間的兩個(gè)P波層析圖像的比較表明，CO2沿著上層賦存層內(nèi)的高滲透帶遷移。
差異層析圖中可以看到高達(dá)7%的速度變化。該區(qū)域與最可能充當(dāng)CO2賦存層的厚粘土層有關(guān)。在40m深度以下，可以看到小于2%的極小變化。
? 成果校驗(yàn)
分布式溫度傳感（DTS）測(cè)量的數(shù)據(jù)分析顯示，鉆孔M1、M2和M4中沒有明顯的局部溫度變化。然而，在M3中，在40 m深度附近有一個(gè)明顯的峰值，這意味著CO2從注入點(diǎn)相對(duì)快速地?cái)U(kuò)散到40 m深度處的觀察孔M3。這些結(jié)果與P波測(cè)量的層析反演結(jié)果一致。
（a）注入前第0天（虛線）、第2天（灰色線）和第4天（黑色線），鉆孔M3的DTS測(cè)量值隨深度變化。（b）相對(duì)于注入前水平，溫度峰值最大范圍的時(shí)間變化~40 m深度
其他可探索的應(yīng)用領(lǐng)域
地?zé)?/strong>
地?zé)崮苁侵傅貧ぶ袃?chǔ)藏的熱能，其主要來源于地球內(nèi)部的放射性元素衰變產(chǎn)生的熱能。地?zé)崮鼙灰暈橐环N清潔、可再生的能源。而TOMO1000深部跨孔層析成像系統(tǒng)則可以在地?zé)崮艿奶綔y(cè)、開發(fā)和利用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
這個(gè)設(shè)備能夠在相當(dāng)大的深度（1000米）上進(jìn)行高精度探測(cè)，這是地?zé)豳Y源勘探中的重要需求，因?yàn)榈責(zé)崮芡ǔＮ挥诘乇硪韵碌纳疃取?/span>
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詳細(xì)的地下結(jié)構(gòu)信息：這種設(shè)備可以提供詳細(xì)的地下結(jié)構(gòu)信息，包括地質(zhì)層的分布、厚度、角度、深度等，識(shí)別潛在的地?zé)釁^(qū)域，比如裂縫、斷裂帶，幫助我們更準(zhǔn)確地理解地?zé)豳Y源的地理分布和規(guī)模。
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優(yōu)化鉆井位置：對(duì)于地?zé)徙@井，預(yù)先獲得精確的地下信息是非常重要的，可以幫助工程師選擇最佳的鉆井位置和路徑，避免無效鉆探，節(jié)約成本。
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監(jiān)控地?zé)豳Y源的變化：在地?zé)崮馨l(fā)電站開始運(yùn)營后，這種設(shè)備還可以用于監(jiān)控地?zé)豳Y源的變化，比如監(jiān)測(cè)熱儲(chǔ)層的壓力變化、溫度變化、水位變化等，有助于對(duì)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)開發(fā)和管理。
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評(píng)估地?zé)豳Y源的可行性和經(jīng)濟(jì)性：通過這種設(shè)備獲得的詳細(xì)信息，可以幫助評(píng)估地?zé)豳Y源的可開發(fā)性和經(jīng)濟(jì)性，為決策者提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
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環(huán)境影響評(píng)估：在某些情況下，地?zé)衢_發(fā)可能會(huì)對(duì)周圍的環(huán)境產(chǎn)生影響，例如地質(zhì)環(huán)境的改變、地殼穩(wěn)定性等。使用這種設(shè)備，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估這些影響，幫助設(shè)計(jì)出更環(huán)保的開發(fā)方案。
深層礦產(chǎn)
在礦產(chǎn)勘探和開采方面，TOMO1000深部跨孔層析成像系統(tǒng)可以提供關(guān)鍵的地質(zhì)信息，幫助找到礦產(chǎn)資源并評(píng)估其規(guī)模。
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礦產(chǎn)勘查：通過產(chǎn)生高頻P波，TOMO1000可以對(duì)地下深度達(dá)到1000米的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，幫助找到可能的礦產(chǎn)儲(chǔ)藏層。具有良好信號(hào)重復(fù)性和寬頻信號(hào)范圍的震源，使得地質(zhì)探測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，提高了找到礦產(chǎn)的概率。
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評(píng)估礦產(chǎn)規(guī)模：利用TOMO1000產(chǎn)生的地震層析圖，科研人員和工程師可以對(duì)地下的礦產(chǎn)儲(chǔ)藏層進(jìn)行評(píng)估，確定其具體位置、厚度和廣度，從而預(yù)測(cè)礦產(chǎn)的規(guī)模。
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開采規(guī)劃：對(duì)地下結(jié)構(gòu)的深入了解，可以幫助優(yōu)化礦井的設(shè)計(jì)和開采策略，提高礦產(chǎn)的開采效率，降低開采成本。例如，可以在最可能找到礦產(chǎn)的地方鉆井，避免無效的鉆探。
需要注意的是，雖然TOMO1000不能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，但是在開采前的勘查階段，它提供的信息對(duì)于礦產(chǎn)資源的有效利用是至關(guān)重要的。礦產(chǎn)資源是有限的，因此在開采前進(jìn)行深入的地質(zhì)勘查和評(píng)估是非常必要的，TOMO1000就在這方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
頁巖氣
在頁巖氣（也被稱為頁巖天然氣）的勘查和開發(fā)中，TOMO1000深部跨孔層析成像系統(tǒng)可以發(fā)揮重要的角色。頁巖氣被儲(chǔ)藏在地下的頁巖層中，只有當(dāng)了解了頁巖層的詳細(xì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，才能進(jìn)行有效的勘查和開發(fā)。
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頁巖層探查：TOMO1000通過產(chǎn)生高頻P波，可以探測(cè)地下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，包括那些可能儲(chǔ)藏有頁巖氣的頁巖層。通過分析地震波在地下的傳播特性，可以推測(cè)出可能的頁巖氣儲(chǔ)藏區(qū)域。
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評(píng)估頁巖氣儲(chǔ)量：通過地震層析圖，科研人員和工程師可以對(duì)地下的頁巖層進(jìn)行更詳細(xì)的評(píng)估，確定其具體位置、厚度和廣度，從而對(duì)潛在的頁巖氣儲(chǔ)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。
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指導(dǎo)鉆井位置和方法：地下結(jié)構(gòu)的理解可以幫助決定最佳的鉆井位置和方法，以提高頁巖氣開采的效率和效果。例如，水力壓裂是開發(fā)頁巖氣的常用技術(shù)，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解可以幫助確定壓裂的最佳位置和方向。
核廢料存儲(chǔ)
在核廢料存儲(chǔ)方面，TOMO1000深部跨孔層析成像系統(tǒng)可以用于提供關(guān)于潛在存儲(chǔ)地點(diǎn)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要信息。
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地質(zhì)探查：TOMO1000通過產(chǎn)生高頻P波，可以對(duì)地下深度達(dá)到1000米的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。這種探測(cè)有助于找到可能的地下儲(chǔ)存地點(diǎn)，如深層巖石層，這些地點(diǎn)可以用于長期安全地儲(chǔ)存核廢料。
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評(píng)估儲(chǔ)存地點(diǎn)：通過地震層析圖，科研人員和工程師可以對(duì)潛在的核廢料儲(chǔ)存地點(diǎn)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的理解，評(píng)估其穩(wěn)定性和長期安全性。這可能包括了解地下巖層的厚度、硬度、地震活動(dòng)情況，以及地下水流動(dòng)情況等。
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儲(chǔ)存策略規(guī)劃：了解地質(zhì)結(jié)構(gòu)有助于規(guī)劃如何最安全、最有效地存儲(chǔ)核廢料。例如，儲(chǔ)存策略可能包括在何處和如何深度鉆孔，以及如何封堵和監(jiān)測(cè)儲(chǔ)存地點(diǎn)。
總的來說，TOMO1000深部跨孔層析成像系統(tǒng)在提供深度和精度的地質(zhì)信息方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)于各類地下資源的勘查和管理有著廣泛的應(yīng)用前景。
