淺層彎線地震勘探采集與處理技術(shù)①

強正陽，盧育霞，3，陳永明，3，馬 海

（（1．甘肅省地震局 中國地震局黃土地震工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2．中國地震局蘭州地震研究所，甘肅 蘭州 730000；3．甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730000；4．中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100）

0 引言

由于受到區(qū)域地形、建筑物等對測線展布的限制，淺層地震勘探很多測線不能沿直線布設(shè)，所以不得不進行彎線測量。彎線地震勘探是以成熟的直線地震勘探為基礎(chǔ)的。國內(nèi)學(xué)者包吉山早在20世紀70年代就詳細討論了彎線地震勘探的原理和方法［1］，但是限于當時計算機和處理軟件還比較落后，彎線測量具體實施和處理起來還是很繁瑣，沒有真正推廣應(yīng)用。之后陸續(xù)有學(xué)者對彎線地震勘探做出研究［2－5］，但都是針對煤田石油等中深部地震勘探，而沒有涉及到淺層勘探。對于淺層彎線地震勘探而言，一方面由于彎線地震勘探方法較適合于地層傾角小、上覆地層速度較高的地區(qū)，而最大分散距往往取決于轉(zhuǎn)折角的大小和最大炮檢距。所以炮檢距越大，界面傾角越大，埋深越淺，傾斜界面允許的離散距就越大［5］，從而對測線彎曲有較嚴格的限制。另一方面，由于淺層地震勘探接收道數(shù)少，資料覆蓋次數(shù)不高，所以淺層彎線勘探的采集和處理要在充分考慮滿足共中心點面元疊加的時間、空間條件下，合理選擇共反射點面元，平衡分辨率和信噪比的關(guān)系，在保證剖面成果真實性前提下，充分發(fā)揮彎線勘探在改善復(fù)雜地區(qū)地震資料質(zhì)量及地震數(shù)據(jù)采集施工便利方面的優(yōu)勢。本文以甘肅隴南新一中開展的淺層地震勘探工作為例，探討彎線勘測的條件及系統(tǒng)設(shè)計，以及資料處理技術(shù)和質(zhì)量控制。

1 彎線勘探可行性條件

在彎線測量中，各個激發(fā)點和接收點的連線在空間分布上呈"扇面"狀展開，彎線多次覆蓋技術(shù)不符合嚴格共反射點疊加的定義，從而引入共反射點面元疊加的概念。所謂共反射點面元疊加就是指在理論共反射點可容許的偏離范圍內(nèi)，各相鄰反射點記錄的疊加，并且這個疊加可以像來自同一反射點那樣得到加強。因此彎線地震勘探是三維地震勘探的一種特殊形式。在彎線數(shù)據(jù)處理中首先要拾取面元中心線，以固定的面元尺寸進行面元網(wǎng)格化，并使共反射點面元內(nèi)各道滿足疊加的空間、時間條件。

（1）時間條件

首先，彎線資料在采集時應(yīng)該滿足時間［6］條件。從共反射面元各道的可疊加性考慮，反射點之間的最大時差應(yīng)滿足

其中T為地震波的視周期。

（2）空間條件

設(shè)Bx和By分別是共反射面元網(wǎng)格的長度和寬度，則Bx一般選取接收點沿測線最大間距D的一半。由于淺層資料覆蓋次數(shù)不高，彎線處理時網(wǎng)格寬度By要兼顧共反射點覆蓋次數(shù)和信號的分辨率，并對比最終的疊加剖面反復(fù)修改，結(jié)合地層傾角，最終確定一個合理的取值。

（3）最大離散距

彎曲測線的明顯特點就是炮點與檢波點連線，隨地勢彎曲的曲率與地層傾向間的夾角變化而發(fā)生變化，也就決定了炮檢中點的離散程度［2］。一般根據(jù)探區(qū)目的層埋深、傾角等地球物理參數(shù)進行參數(shù)論證，確定基本采集參數(shù)。為了便于理論估算，假設(shè)最大離散距與共反射面元的小矩形對角線長相等且與界面傾向重合。

設(shè)地層界面最大傾角為Φ，Dxy為炮檢中點的離散距，v是目的層以上的介質(zhì)速度。則傾斜界面共反射點面元內(nèi)可能產(chǎn)生的道間最大時差為

由（1）、（2）兩式可得

式（3）說明彎線多次疊加對面元邊長的要求。傾斜界面使地下炮檢中點向上傾方向發(fā)生離散，面元道間存在時差。面元內(nèi)炮檢距越大，界面傾角越大，引起的炮檢中點離散距越大，直接影響了疊加成果的可信度。目的層傾角越大，對滿足共反射點面元時間條件的最大炮檢距限制越嚴格。目的層深度越淺，相同地層傾角產(chǎn)生的離散距越大。

2 彎線觀測系統(tǒng)設(shè)計

近年來，我們在甘肅隴南各市縣做了大量淺層地震勘探工作，由于該地區(qū)山大溝深，受地形條件限制，勘探測線常常不能沿直線布設(shè)，因此彎曲測線非常普遍。下面我們以隴南市新建文縣一中附近的地震測線為例來具體說明淺層彎線地震勘探觀測系統(tǒng)的設(shè)計過程。

（1）彎曲測線施工前，要對其預(yù)計經(jīng)過的地方進行認真細致的踏勘，充分了解地層巖性、地表激發(fā)條件和地形情況。根據(jù)調(diào)查，擬布設(shè)新文縣一中測線場地地表為水泥路面，地勢平坦，海拔高度約970 m，其下覆基巖地層基本水平，巖性以千枚巖和板巖為主。

圖1 新文縣一中測線展布示意圖Fig．1 Distribution of the measuring line in new Wenxian No．1School．

（2）結(jié)合高精度衛(wèi)星圖片，合理部署炮檢路徑，精確計算接收點和激發(fā)點的坐標，避免炮檢路徑大弧度、大距離地向同一個方向彎曲。本測線起始走向138°，在距起點216～240m處向SE方向偏29°，其弧度緩慢變化，最后呈167°走向直線延展，測線總長680m。我們將彎曲測線布設(shè)為折線，炮點、檢波點置于線上使折線段內(nèi)的檢波點等距，并實測出各折線段兩端點的坐標。

（3）在彎線地震勘探設(shè)計中，認真分析和研究折線轉(zhuǎn)角大小、面元大小和疊加次數(shù)等對彎曲測線地震勘探成果信噪比分辨率的影響，經(jīng)過反復(fù)試驗確定這些主要參數(shù)。

根據(jù)新文縣一中測區(qū)情況，按地層傾角Φ＝10°，平均速度v＝1 700m／s，有效波最小視周期T＝0．01s，由式（1）、（3）計算得 Δtmax＝0．025s，Smax＝10．8m。施工時我們選取網(wǎng)格最大邊長為2m，可滿足時空條件和離散距條件。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料推測目標層深度約為30～50m，為了保證淺層反射波具有較高的覆蓋次數(shù)，又可以量避開震源面波、聲波的影響。經(jīng)過反復(fù)試驗對比，選擇了2m道間距，8m偏移距，單邊激發(fā)觀測系統(tǒng)，最大覆蓋次數(shù)為12次，垂向疊加6次。本次探測采用人工錘擊震源激發(fā)，使用的是48道淺層地震勘探儀。

3 彎線資料處理的關(guān)鍵步驟與質(zhì)量控制

首先將采集資料按照常規(guī)直線方法進行了處理，得到了疊加時間剖面（圖2）。明顯可以看出直線處理的剖面中含有幾個折線段，其有效波的能量及連續(xù)性在轉(zhuǎn)折處均有明顯的變化，造成了地層撓曲、斷裂的假象。在這種情況下必須對資料進行彎線處理。

彎線地震數(shù)據(jù)處理和常規(guī)直測線地震數(shù)據(jù)處理相比，處理方法、流程和參數(shù)選擇等基本相同，最根本的區(qū)別在于疊加。前者是共反射面元疊加而后者是共反射點疊加。彎線共面元道集不是嚴格的共反射點道集，它是把若干個鄰近反射點疊加起來作為一個共反射面元的。在折線轉(zhuǎn)角一定的情況下，反射面元大，參與這個面元疊加的地震道就多，信噪比就高；而反射面元小，參與這個面元疊加的地震道就少，信噪比就低。由于面元疊加的平均效應(yīng)，參與這個面元疊加的地震道增多，分辨率就會降低。所以，根據(jù)彎線的幾何關(guān)系的定義，在處理過程中最重要的是面元中心線的選擇和共反射面元網(wǎng)格的選?。▓D3），控制好分辨率與信噪比的關(guān)系。

3．1 面元中心線的選取

圖3 炮檢中點分布及面元中心線示意圖Fig．3 The schematic diagram of offset midpoint distribution and bin centerline．

面元中心線的選取一般是在炮檢中點分布圖上選取一條分散度最小的線，使其轉(zhuǎn)折弧度緩慢變化，以避免相鄰面元間炮檢中點和覆蓋次數(shù)的劇變。由于淺層地震勘探覆蓋次數(shù)較低，當遇到測線彎曲變化很大時，反射點的分布就會非常離散。在這種情況下，中心線的選擇不一定嚴格按照分散度最小，而是要使中心線盡量穿過反射點密集帶，既要保證反射點面元道集中有足夠的道數(shù)，同時又要保證道集內(nèi)炮檢距分布均勻、合理，以保證疊加剖面的高頻成分。

3．2 面元網(wǎng)格的定義

共反射面元是以面元中心線為中心展布的若干個小矩形，其長度Bx除了選取接收點沿測線最大間距的一半外，還要求做到面元長度和炮檢中點的間隔相同，且互相獨立、互不跨越［7］。在反射點比較分散的情況下，要合理選擇面元網(wǎng)格的長度，保證資料疊加效果。在構(gòu)造簡單，地層平緩的地區(qū)，面元寬度By可以適當增加。但在分辨率要求較高的地區(qū)，面元寬度應(yīng)該盡可能縮小。圖4是新文縣一中彎線處理的共反射道集疊加覆蓋次數(shù)圖，由于在測線彎曲部分進行了共反射面元網(wǎng)格化，使得160～240m之間的炮檢中點道集覆蓋次數(shù)有一個明顯下降。

圖4 共反射點道集覆蓋次數(shù)Fig．4 Fold number of common reflection gather．

總之，在淺層彎線資料的處理中，要仔細分析面元大小、疊加次數(shù)等因素對彎線疊加剖面的信噪比和分辨率的影響，反復(fù)比較并確定這些主要參數(shù)。

最終，我們在新文縣一中細致踏勘的基礎(chǔ)上進行了彎線路徑的設(shè)計，并嚴格按照共中心點面元疊加的時間和空間條件，控制了炮檢中點分散度。將所獲得的資料按照彎線處理方法，得到了新文縣一中淺層彎線地震勘探真實且高品質(zhì)的疊加時間剖面（圖5）。其有效波的能量較好，同向軸連續(xù)清晰，各種干擾波得到了很好的壓制，總體結(jié)果符合前期地質(zhì)調(diào)查的判斷［8－9］?？梢娫跍\層勘探中利用彎線地震勘探技術(shù)可以獲得較好的地震資料，提高了地震勘探應(yīng)用效果。

值得我們注意的一點是，對于任何資料，如果在彎線資料采集和處理工作中存在失誤或瑕疵，都可能導(dǎo)致共反射點面元道集內(nèi)各道失去可疊加性，使得正常剖面段上的單相位強反射波在大轉(zhuǎn)折角彎線段上變?yōu)殡p相位或多相位，發(fā)生相位反轉(zhuǎn)和分岔的現(xiàn)象［5］。特別是在淺層地震勘探中，會引起頻率變低、振幅變?nèi)鹾瓦B續(xù)性變差等現(xiàn)象，從而很容易造成斷層、裂縫等錯誤解釋。因此，彎線地震解釋中尤其要對轉(zhuǎn)折角彎線剖面段的反射波組特征變化原因進行認真分析，在處理環(huán)節(jié)采用不同的面元中心線和網(wǎng)格寬度進行處理。當選用的面元網(wǎng)格寬度導(dǎo)致測線彎曲部位剖面失真時，應(yīng)減少面元的垂向邊長，避免由于共反射點面元內(nèi)各道不同相而產(chǎn)生的假象。

4 結(jié)論

（1）彎線地震勘探的方法在理論上和技術(shù)上都是可行的，它大大地擴充了傳統(tǒng)共反射點疊加概念所容許的偏離范圍，實際效果也是非常有意義的。

（2）淺層地震勘探精度要求高且目的層埋深淺，彎線實地測量時，應(yīng)該使測線盡可能為直線，并且盡量減小轉(zhuǎn)折角。在施工前踏勘的基礎(chǔ)上進行面元聚斂分析，對炮檢路徑進行優(yōu)化設(shè)計。

（3）彎線地震勘探方法有其嚴格的前提條件，需從彎線地震數(shù)據(jù)采集和處理兩個環(huán)節(jié)進行控制。處理時要合理選取共反射線，把離散的炮檢中點控制在共反射點面元疊加的時間和空間條件允許范圍內(nèi)。針對彎線曲率較大的個別地段，要剔除超過離散條件范圍的炮檢中點，采用選擇性疊加，保證面元內(nèi)各疊加道的同相性。

（4）彎線地震資料解釋中應(yīng)特別注意分析彎線路徑轉(zhuǎn)折的剖面段上的波組特征變化原因，避開由于共反射點面元內(nèi)各炮檢中點超限分散而引起的層位斷裂等假象。

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