淺層地震反射法在海域地段地質(zhì)勘察過程中的應(yīng)用

王曉海 熊鋒

摘要：淺層地震反射法在工程地震勘察領(lǐng)域近年來得到廣泛應(yīng)用，特別是在海域地段的地質(zhì)勘察，由于受到環(huán)境條件的限制較多，地震物探的使用從成本、效率及數(shù)據(jù)可靠性來講都值得推薦。本文以廈門至漳州跨海通道工程勘察為例，著重論述在海域地段使用地震反射法探測(cè)基巖起伏特征、基巖風(fēng)化槽的發(fā)育規(guī)模等，并結(jié)合地質(zhì)鉆探加以部分驗(yàn)證，成功的完成了勘察任務(wù)。

關(guān)鍵詞：淺層地震反射法；海域；工程地質(zhì)勘察；

Abstract: the shallow seismic reflection method in the field of engineering seismic investigation has been widely used in recent years, especially in the sea area geological survey, due to environmental conditions restriction, seismic geophysical use from cost, efficiency and reliability of data is worthy of recommendation.This paper takes Xiamen and Zhangzhou cross sea passageway engineering as an example, the sea area use seismic reflection method for detecting bedrock relief features, bedrock weathered trough development scales, and the combination of geological drilling to be part of the validation, successfully completed a survey mission.Key words: shallow seismic reflection method; sea area; engineering geological investigation;

中圖分類號(hào)：U412.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1 淺層地震反射法在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域應(yīng)用背景

淺層反射地震勘探是地球物理勘探重要方法之一。早在３０年代就已應(yīng)用于石油和天然氣的勘探。但由于受到儀器精度和數(shù)字處理技術(shù)等因素的限制，直到８０年代初期，反射地震勘探方法才得以應(yīng)用到工程勘察中來。近１０年來，隨著信號(hào)增強(qiáng)、浮點(diǎn)放大、數(shù)字化地震儀的問世，以及計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)展，捕捉、提取反射信息的能力大大提高，處理和分析手段也越來越先進(jìn)和精細(xì)。正因?yàn)橛辛诉@些高新技術(shù)的發(fā)展，淺層反射地震勘探方法才以其豐富的信息、較高的分辨率，越來越受到廣大工程物探人員的青睞。

另外，由于其具有使用費(fèi)用較低、受環(huán)境條件限制較少、沿測(cè)線剖面基本連續(xù)等特點(diǎn)，在工程地質(zhì)勘察領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在海域地段的地質(zhì)勘察過程中，由于自然環(huán)境的限制，采用地質(zhì)鉆探往往存在成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、成孔困難等因素。而利用淺層反射地震勘探在劃分硬質(zhì)基巖巖面（本文主要針對(duì)劃分弱、微風(fēng)化花崗巖基巖面）、確定花崗巖風(fēng)化深槽（風(fēng)化槽的位置、埋深、規(guī)模等）、探測(cè)隱伏斷裂等方面存在較大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于解決初勘階段的工程地質(zhì)問題有著較好的指導(dǎo)性作用。

本文以廈門至漳州跨海通道工程地質(zhì)勘察為例，論述在海域段使用淺層反射地震法來確定基巖巖面起伏情況及風(fēng)化槽的發(fā)育特征。

2 在海域段使用淺層地震反射法應(yīng)具備的條件

在海域段使用淺層地震反射法來劃分基巖巖面起伏情況、確定風(fēng)化槽的發(fā)育特征，應(yīng)滿足以下條件為宜。

2.1 基巖與第四系覆蓋層間波速及密度差異明顯，兩者之間存在明顯的波阻抗差異。滿足該條件，基巖面可形成較為良好的地震波反射界面。

2.2覆蓋層、全強(qiáng)風(fēng)化帶為低阻，弱微風(fēng)化花崗巖為高阻。

3 走航式高密度地震反射波勘探方法

勘察過程中采用多道（12道）地震反射勘探方法，沿設(shè)計(jì)線和垂直設(shè)計(jì)線采用網(wǎng)格式位布置勘測(cè)測(cè)線。

3.1定位、導(dǎo)航

定位采用華測(cè)天驕X90型雙頻GPS－RTK接收機(jī)（見圖1）。水平精度為±(10 + 1×10-6×D) mm， 垂直精度±(20 + 1×10-6×D) mm。

工作時(shí)GPS基站架設(shè)在水邊基站，確保GPS-RTK的有效作業(yè)距離。GPS移動(dòng)站放置在工作船上，接收基站差分信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分定位。

圖1： 華測(cè)天驕X90型雙頻GPS－RTK基站

導(dǎo)航軟件采用華測(cè)公司配套的HydroNav2.0導(dǎo)航軟件系統(tǒng)（見圖2）。定位觀測(cè)與物探觀測(cè)同步進(jìn)行。工作前先將設(shè)計(jì)坐標(biāo)輸入，施工時(shí)設(shè)計(jì)測(cè)線和GPS－RTK接收機(jī)測(cè)量的實(shí)際位置同時(shí)顯示在屏幕上，根據(jù)導(dǎo)航軟件顯示的船只運(yùn)行軌跡、航向、航速及船只偏離設(shè)計(jì)測(cè)線的距離等，引導(dǎo)、指揮工作船按設(shè)計(jì)測(cè)線和要求的航速移動(dòng)，隨時(shí)按設(shè)計(jì)測(cè)線糾正航向及控制船速。

為精確提供各地層深度資料，避免不同觀測(cè)時(shí)間潮位差所帶來的水深差，工作中采用GPS－RTK工作，直接測(cè)得水面高程，從而對(duì)水域人工淺層地震解釋資料進(jìn)行潮差改正，改正精度為±0.1米。另外海域地段由于潮水水流對(duì)地震原始記錄有較大的影響，工作選擇在高平潮或低平潮時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行物探工作。

圖2：HydroNav2.0導(dǎo)航軟件系統(tǒng)

3.2走航式高密度地震反射波勘探使用的儀器設(shè)備

儀器選用SWS-5型工程勘察與工程檢測(cè)儀（見圖3），該儀器具有瞬時(shí)采集功能，能在1.0秒內(nèi)采集一次地震反射數(shù)據(jù)，為保證接收信號(hào)的真實(shí)性，工作中采用通頻帶接收、連續(xù)、自動(dòng)記錄方式。震源采用ZY-2A水上連續(xù)沖擊震源船，一秒激發(fā)一次。接收電纜采用12道專用水上電纜，該檢波器具有靈敏度高、分辨率高（接收信號(hào)只有一個(gè)子波）的特點(diǎn)。

圖3：SWS-5型工程勘察與工程檢測(cè)儀和震源船

3.3走航式高密度地震反射波勘探施工方式

圖4：施工示意圖

采用拖拉式連續(xù)航行和定時(shí)激發(fā)方式施工，即將震源船掛于工作船旁，接收電纜牽掛在震源船尾部向后延伸（見圖7），實(shí)行連續(xù)航行、定時(shí)記錄。地震原始記錄與測(cè)量記錄時(shí)間相關(guān)。

3.4施工前的試驗(yàn)工作

在正式開工前進(jìn)行了方法試驗(yàn)，根據(jù)不同水深、不同軟土層厚度、不同基巖埋深等條件下的激發(fā)能量、記錄長度、采樣率、頻帶寬度、電纜入水深度及最佳炮檢距選擇等試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各項(xiàng)參數(shù)選定如下：

3.5地震資料處理

地震資料的處理采用PMRflpro水域走航式高密度地震反射軟件，其工作原理為：彈性波從震源向地層中傳播遇到波阻抗不同的界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，并遵循反射定律。反射波回到地面所需的時(shí)間，與界面的埋深有關(guān)，根據(jù)反射波的時(shí)距曲線，可推求出所需探測(cè)界面的深度以及波在介質(zhì)中傳播的速度。

假設(shè)在地面下有一傾角φ的傾斜平坦界面，界面以上為均質(zhì)介質(zhì)，則其反射波可以看成由虛震源（震源對(duì)界面的對(duì)稱點(diǎn)）出發(fā)經(jīng)反射界面直達(dá)接收點(diǎn)M的波，如圖5，反射波時(shí)距曲線的表達(dá)式為：

圖5反射波的時(shí)距曲線

PMRflpro水域走航式高密度地震反射軟件其處理流程為：

預(yù)處理：記錄激發(fā)時(shí)間校正、記錄數(shù)據(jù)清理、頻譜分析與濾波、等偏剖面平移疊加，抽取共偏移道集。

剖面處理：共偏移道集動(dòng)校正，速度分析、震源顫尾清理、反射波形壓縮、水底多次波清理、小波道間相關(guān)去噪、自動(dòng)拾取或手工標(biāo)記反射波組同相軸、時(shí)深轉(zhuǎn)換成圖。

解釋處理：不同記錄數(shù)據(jù)頻譜對(duì)比，分析反射異常；縱橫剖面交點(diǎn)道對(duì)比，進(jìn)行解釋校正、檢測(cè)閉合差；結(jié)合鉆探資料進(jìn)行剖面地質(zhì)解釋。

4 測(cè)試成果的解析與驗(yàn)證

勘察期間沿設(shè)計(jì)軸中線共布置4條測(cè)線，本文僅就其中一條測(cè)線ZF3進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

如圖6所示，ZF3測(cè)線地震時(shí)間剖面圖

圖6ZF3測(cè)線地震時(shí)間剖面圖

根據(jù)第四紀(jì)沉積環(huán)境和地層特征，并結(jié)合鉆孔資料，對(duì)地震層位分析認(rèn)為：T1為海底反射面，反射波組平行連續(xù)；T2 為中～微風(fēng)化基巖， T2以花崗巖為主，地震反射波以強(qiáng)的雜亂反射為主，反射面起伏較大。據(jù)圖6測(cè)線地質(zhì)時(shí)間剖面圖，我們基本可描繪出弱微風(fēng)化基巖埋深剖面圖，見圖7。

圖7：弱、微風(fēng)化基巖埋深剖面圖

為了驗(yàn)證淺層反射地震勘探所推測(cè)的弱、微風(fēng)化基巖埋深的準(zhǔn)確性，我們采取工程地質(zhì)鉆探對(duì)其解析的成果進(jìn)行了經(jīng)一步驗(yàn)證比對(duì)。地質(zhì)鉆探主要針對(duì)地震物探解析的最深的弱風(fēng)化巖面加以驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)見圖7所示。工程地震鉆探顯示，該點(diǎn)弱風(fēng)化基巖埋深標(biāo)高為-94.2m，與物探解析的-96.1m大致接近。由此可證明，地震物探解析的成果基本可靠。工程地質(zhì)鉆探的巖芯照片見圖8。

圖8 YZ1強(qiáng)、弱風(fēng)化界面附近巖芯照片

（注：照片所描述的巖芯深度是以海床面為參照，海床面標(biāo)高為-12m）

5 淺層地震反射勘探的不足

利用淺層地質(zhì)反射勘探證明在海域段是比較成功的，但是，其亦有相應(yīng)的不足之處。例如在本次勘察期間在10萬噸級(jí)航道附近存在寬度300～500m的水域物探地震測(cè)線屏蔽區(qū)，經(jīng)過多次走航，先后采用了1秒震源船、2秒震源船（均調(diào)整到最大能量），采用低切100Hz和全通等不同參數(shù)，并做了大量的重復(fù)觀測(cè)。在物探屏蔽區(qū)最少的重復(fù)觀測(cè)3次，ZF3測(cè)線重復(fù)觀測(cè)6次，測(cè)線仍未見明顯基巖反射波組。

由于該區(qū)段為進(jìn)出廈門港的必經(jīng)航道，由于航道部門經(jīng)常性的疏浚，使得海床面以下有厚達(dá)20m左右的淤泥，淤泥基本呈流體狀態(tài)，其對(duì)地震反射波能量有極大吸收作用，使得傳入地層深部的地震波能量十分有限，使得該地段使用地震反射勘探的效果較差。

6 結(jié)論

海域段使用淺層地震反射法勘探是比較成功的。采用PMRflpro 軟件，對(duì)原始記錄進(jìn)行了濾波、增益等處理，使得勘探成果直觀、清晰，獲得的資料基本真實(shí)可靠。不足之處是遇到軟土，如流體狀淤泥較厚的情況，淤泥對(duì)反射波能力吸收較大，進(jìn)而難以獲得有效明顯的基巖反射波阻。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉芬. 反射波地震勘探原理的資料解析.地質(zhì)出版社，2007.7

[2]李澎 王山山. 淺層地震反射方法在工程物探中的應(yīng)用. 物探化探計(jì)算技術(shù). 2004.03.

[3] 徐明才. 提高淺層地震勘探的分辨率. 《國外地質(zhì)勘探技術(shù)》 1989.12 .(12～23)

[4]趙成斌. 淺層地震勘探在工程勘察中的應(yīng)用.華北地震科學(xué).1998.02

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。