地震縱波橫波聯(lián)合勘探方法尋找近地表第四系內(nèi)隱伏斷裂方法研究

李顏貴 ， 蔣正中 ， 劉子龍 ， 雍 凡 ， 羅水余

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

0 前言

隨著人類社會和經(jīng)濟的飛躍發(fā)展，工程建設(shè)的規(guī)模越來越大，各種自然和人為因素對建筑和工程設(shè)施的影響作用也越來越強，其中以活動斷裂為主的地質(zhì)災(zāi)害的影響日益成為各國的高度重視。在區(qū)域地殼穩(wěn)定性研究中，活動斷裂成為重要的考慮因素，活動斷裂的活動性主要反映在對地面裂縫、地面沉降以及地面塌陷的控制和誘導(dǎo)作用并可能引起地震的發(fā)生，其形成的條件是活動斷裂由于地應(yīng)力長期的集中，在一定條件下的突然釋放?；蛘呋顒訑嗔验L期緩慢的蠕滑而造成地表產(chǎn)生地裂縫、地面塌陷等。京津地區(qū)有大量的活動斷裂和大的構(gòu)造，所以研究京津地區(qū)地殼的穩(wěn)定性，防范地質(zhì)災(zāi)害，就要充分研究京津地區(qū)的活動構(gòu)造，尤其是隱伏在平原區(qū)松散層之下的活動斷裂，掌握其分布范圍、活動規(guī)律以及影響范圍和影響程度。在活動斷裂的調(diào)查方面，前人做了大量工作，徐明才等[1-5]進行了大量縱波尋找活動斷裂方面的研究，取得了顯著效果；在利用橫波尋找活動斷裂方面，白云等[6]中國地震局蘭州地震研究所[7]等進行了初步嘗試，取得了一定的效果；RogerA. Young[8]利用SH波在美國Oklahoma州Norman附近的一個老垃圾場進行橫波調(diào)查，在使用錘擊震源取得了較好的勘探效果；使用重錘激發(fā)，能量有限，激發(fā)能量人為因素影響大，勘探的深度和效果不理想，同時激發(fā)的主頻低，阻礙橫波應(yīng)用[9]，但這局限性為研究橫波勘探活動斷裂提供了很好的研究方向：使用能量大的可控震源，提高激發(fā)的能量和頻率；因此本次實驗選擇能量更大的可控震源激發(fā)橫波，通過調(diào)整震源震動方向及橫波檢波器放置方向來接收SH、SV兩種橫波進行研究，通過使用可控震源，縱橫波勘探深度和資料的信噪比有了明顯提高，對準(zhǔn)確尋找地表第四紀(jì)未固結(jié)沉積層中的隱伏斷裂上斷裂點提供了技術(shù)支撐。

1 地質(zhì)概況與地震地質(zhì)條件

縱、橫波實驗測線位于北京馬坊環(huán)島，與2011年進行的“北京平原區(qū)活動斷裂監(jiān)測專項地質(zhì)調(diào)查項目”中地震勘探項目WT26線位于同一位置，該斷裂為夏墊斷裂的北部，基巖埋深較淺，夏墊斷裂是北京平原區(qū)一條重要的活動斷裂，北起平谷馬坊、夏墊、西集、鳳河營到廊坊以西一帶。走向NE30°，傾向SE，傾角為65°～70°，為正斷層。1679年平谷馬坊8級大地震就發(fā)生在該斷裂帶上，是一條活動斷裂，在第四系地層內(nèi)，有不同顆粒的砂層、粘土層及亞粘土層等不同巖性的地層。由此可推測，除該區(qū)基巖界面產(chǎn)生的反射信號外，蓋層內(nèi)反射地震信號將比較豐富。除了粘土和細(xì)砂層之間界面的波阻抗差異能引起反射外，砂層中夾的粘土薄層和粘土層中夾的薄砂層都能產(chǎn)生地震響應(yīng)而被記錄下來，風(fēng)化層與未風(fēng)化的基巖地層之間的速度和密度差異較大，這些界面也能夠形成較強的反射波被記錄下來。在該地區(qū)分布有四口鉆井，其中測線經(jīng)過ZK8和ZK9鉆井，已有鉆井資料可以對試驗結(jié)果進行驗證，粘土層、礫石層和細(xì)沙層分布不均，這恰好為地震解釋研究層位的變化提供依據(jù)。

2 方法技術(shù)

2.1 縱向分辨率與橫向分辨率

在淺層地震地勘探中，地震記錄所反映的各種地質(zhì)構(gòu)造的清晰度取決于地震資料的分辨率。地震勘探的分辨率就是分辨各種地質(zhì)體和地層細(xì)節(jié)的能力，它包括縱向分辨率和橫向分辨率；縱向分辨率也叫垂向分辨率或時間分辨率，它是指地震記錄沿垂直方向能夠分辨的最薄地層的厚度，通常的含義是從地震記錄上能夠正確地識別地層頂、底界面的反射波，通過經(jīng)典的薄層模型實驗得到規(guī)律?？v向分辨率主要與地震波的波長直接相關(guān)，即與地震波的速度和頻率有關(guān)，橫波的速度低，在該實驗區(qū)內(nèi)橫波的速度是縱波的0.2倍～0.4倍，通過分析實測頻譜曲線可知，SH波頻率相對較低，SV波頻率和縱波頻率接近，這與詹正彬[10]所敘述的SH、SV頻率一致；SV橫波速度低，主頻和縱波頻率接近，這樣可以提高縱向分辨率，對于區(qū)分薄層地層，特別是未固結(jié)的地層有較好的分辨能力。橫向分辨率也叫水平分辨率或空間分辨率，它是指地震記錄沿水平方向能夠分辨的最小地質(zhì)體的寬度。地震波是以球面波的形式向前傳播，當(dāng)遇到波阻抗界面就產(chǎn)生反射，地震波有個延續(xù)時間，根據(jù)波的疊加原理，當(dāng)初至波波前面的時差為1/4個周期內(nèi)將產(chǎn)生相長干涉，其雙程旅行時間比垂直入射到界面的反射被的雙程旅行時間晚半個周期以上，因而產(chǎn)生相長干涉。我們把產(chǎn)生反射波相長干涉的有效界面稱為第一菲涅爾帶，理論證明可知其半徑：

式中：r第一菲涅爾帶半徑；v為地震傳播速度；h為界面深度；f為地震波主頻。由于橫波的速度較低，特別是在為固結(jié)的軟土地層，縱波的速度比橫波的速度高幾倍，在主頻變化不大的情況下，橫波的橫向分辨率要比縱波高，從圖3速度譜就可以清楚看到。

2.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

合理的數(shù)據(jù)采集技術(shù)是提高淺層高分辨率地震勘探的基礎(chǔ)，橫波的激發(fā)常采用扣板法激發(fā)，能量較小，且適用條件較差；本次實驗采用美國IVI公司制造的MiniVib系列T2500先進可控震源，包含了從縱波輸出到橫波輸出的一套組件，既能激發(fā)常規(guī)縱波，又能激發(fā)橫波，獨特的“minivib”震源橫波輸出技術(shù)可以讓操作者隨意調(diào)節(jié)震源器與接收排列之間的角度，寬頻帶5 Hz～550 Hz的高頻輸出，體積小、重量輕，是理想的淺層地震勘探震源?？v波采用96道、零偏移距、3 m道距，具體參數(shù)見表1。橫波通過調(diào)整震源震動方向及橫波檢波器放置方向來激發(fā)和接收SH、SV兩種橫波，激發(fā)SH波和P波野外采集一樣，只需要調(diào)整震源的震動方向與檢波器的方向一致，即90°垂直測線方向，激發(fā)方向沿Y方向作用的水平力源只能激發(fā)SH波，布設(shè)橫波檢波器水平芯體正方向指向Y正方向，檢波器在炮點兩端布置一樣，采集的單炮記錄存在震源的兩邊有極性相反的情況，道編輯改變極性。每種橫波單獨激發(fā)采集，這樣避免了調(diào)整角度的問題；在利用可控震源進行數(shù)據(jù)采集前，進行野外數(shù)據(jù)采集試驗：掃描類型試驗、掃描頻率試驗和掃描時間試驗等，采集參數(shù)見表1；另外，還進行了垂直疊加次數(shù)的試驗：為壓制干擾，除利用可控震源的掃描疊加壓制干擾外，還利用垂直疊加技術(shù)(每個物理點垂直疊加2 次～3次)進一步壓制噪聲，提高地震記錄的信噪比，通過增加震動次數(shù)和掃描時長，保證在同一地點多次激發(fā)能量均衡穩(wěn)定、振幅譜和自相關(guān)穩(wěn)定；由于縱波勘探深度深，線性升頻掃描的信號在向下傳播的過程中，縱波的高頻部分損失較大，降低了淺層的分辨率；通過分析橫波單炮記錄的振幅、能量可知，在中淺部，地層對能量的衰減是呈現(xiàn)指數(shù)型衰減，設(shè)計采集衰減系數(shù)倒數(shù)的指數(shù)型掃描信號，彌補了高頻信號能量，壓制了掃描信號的自相關(guān)旁瓣幅度；采用地面力回饋信號相關(guān)，保證接收到的信號是地層真實的反映；由于激發(fā)橫波震源的震動方向在水平方向，震源的能量輸出要相對小些，通過實驗可知，當(dāng)增加能量輸出在60% 時，8邊形鋸齒與地面耦合發(fā)生位移，單炮記錄存在震源干擾，調(diào)整掃頻方式為線性掃描和震源輸出能量為40%，震源干擾減弱或消失；另外，由于橫波激發(fā)和接收的方向特性匹配原則[10]，激發(fā)SH波沿Y方向作用的水平力源，這樣SH波的能量最強，SV波和P波最弱為零；同理，x方向作用的水平力主要產(chǎn)生SV波，遠(yuǎn)偏移距，入射角度變大，會產(chǎn)生能量強的轉(zhuǎn)換PV波，處理較困難；通過實驗及計算，60道180 m偏移距采集，能減弱轉(zhuǎn)換波在大偏移距的影響；本次實驗為揭露的斷層深度在100 m以內(nèi)，為了驗證斷層從深至淺的連續(xù)性，通過擴展排列實驗和干擾波調(diào)查，采用“最佳時窗”原則，使用96道接收，非對稱中間激發(fā)， 3 m小道間距，12 m炮距，水平覆蓋次數(shù)12次。

表1 縱橫波采集參數(shù)表

2.3 數(shù)據(jù)處理

地震數(shù)據(jù)處理主要包括：解編、定義觀測系統(tǒng)、編輯、振幅補償、疊前去噪、速度分析、動校正、疊加、疊后去噪、偏移等。為達(dá)到理想的處理效果，在正式處理數(shù)據(jù)前，進行處理參數(shù)分析和處理效果對比試驗，選用有效的處理模塊編排流程，選擇了最佳的處理參數(shù)。本次資料處理工作也借鑒了以往深層地震探測資料處理解釋的經(jīng)驗，并做了一些改進；通過試處理，發(fā)現(xiàn)有效的疊前去噪技術(shù)、速度分析技術(shù)是此次數(shù)據(jù)處理流程中的關(guān)鍵步驟，整個縱波數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。橫波的數(shù)據(jù)處理有其本身的特點，傳播的方式和速度不同，但數(shù)據(jù)處理的基本方法是相同的，處理流程如圖1所示，去噪、振幅恢復(fù)采用些非常規(guī)的方法處理，處理的難點主要：①橫波的速度分析：橫波速度低，速度在150 m/s～300 m/s，本次處理軟件采用的是帕拉代姆帕拉代姆公司Focus5.4處理軟件，拾取速度和速度掃描最低速度在320 m/s，不能使用該模塊；②橫波的靜校正：雖然地表起伏不大，但是橫波的靜校正求取與常規(guī)的不同，特別是橫波的折射波，其上面的P波、初至波等干擾波比橫波折射波速度高，如圖3(b)速度分析上面速度較高的就是P波反射波和折射波，LOVE波干擾大偏移距的SH反射波信號及折射波，折射波識別和提取困難，靜校正較難，如圖3(b)所示單炮記錄200 ms以上各種干擾波(反射波、折射波、震源線性干擾波、面波和初至波)；③橫波振幅恢復(fù)和能量補償：在潛水面處有很強的波阻抗界面，其上伏地層因其覆蓋次數(shù)低疊加效果不好，在其下屏蔽了較深層的反射波，能量很弱，看不到反射層，如圖2(a)SH單炮記錄所示；④橫波數(shù)據(jù)弱信號的提取，SH的反射波在大偏移距信號受Love波干擾，由于其速度接近與SH波，常規(guī)的FK域去噪差，而在小偏移距內(nèi)沒有受到Love波干擾，但有線性干擾，使反射波難以識別；⑤反褶積，對可控震源激發(fā)的地震信號進行反褶積有兩種途徑，直接對震動記錄進行，另外是對相關(guān)記錄進行，現(xiàn)在的處理基本上是最小相位的反褶積，而反射波的基本上是混合相位的，存在淺層應(yīng)用反褶積效果反而變差的情況。

根據(jù)以上難點，采用了適合本工區(qū)的處理方法和處理流程：①對速度分析和常速掃描，對現(xiàn)有觀測系統(tǒng)進行改進，通過理論計算，提升速度10倍，也滿足地震勘探原理，這樣處理模塊就能正常使用，經(jīng)過對比，效果較好；②采用先去強噪聲后，在進行地表一致性振幅恢復(fù)，利用速度抬升后，拾取的速度進行速度和頻率域二維濾波、相關(guān)濾波、傾角FK濾波和疊前多域去噪(干擾波在不同的域上的表現(xiàn)形式不同，分別在炮域、共檢波點域、共偏移距域去噪)，如圖3(b)所示，去噪效果明顯，速度譜能量更集中，拾取更準(zhǔn)確，反射波更清晰，特別是深層的反射信號；

圖1 縱橫波數(shù)據(jù)處理流程圖Fig．1 P and S wave processing flow chart

圖2 SH波多域去噪、壓制面波、線性干擾和震源干擾對比剖面Fig．2 SH pave gather is compared with multi-domain suppress interface wave, linearity noise and source noise after suppressing noise(a) SH單炮記錄；(b)CDP域去噪；(c)炮域串聯(lián)反褶積；(d)多域組合LIFT去噪

圖3 速度抬升前后壓噪及速度分析對比剖面Fig．3 Gather is compared with suppressing noise and velocity analysis after velocity uplifts(a) 未速度抬升；(b)速度抬升后；(c) NMO

③橫波的頻率和速度與Love波頻率和速度接近，采用頻率域和速度域去除效果不好，但在小偏移距內(nèi)，SH反射波是標(biāo)準(zhǔn)的雙曲線型，通過拉東變換和速度拉伸切除的方法，去除大偏移距內(nèi)的噪聲，在小偏移距內(nèi)，利用線性去噪、傾角FK濾波去除震源線性干擾，對比圖2(d)和3(b)，中間的線性干擾能量很弱，小偏移距內(nèi)的Love波去除的較干凈，如圖3(c)所示，600 ms大偏移距內(nèi)的Love波經(jīng)NMO后，動校拉伸切除和疊加后可以去除大部分Love波；④采用預(yù)測反褶積和零相位反褶積組合串聯(lián)的方法，可以看出效果明顯，如圖2(c)所示，可以看出，采用地表一致性振幅恢復(fù)前后對比圖，300 ms～600 ms的反射波較清晰；疊后的數(shù)據(jù)采用了譜白化，從而抬升了去噪和疊加后對信號的主頻降低，從而提高了信號的分辨能力，處理過程中沒有加入混波參數(shù)，混波雖然能增強振幅，但容易丟失有用的地震振幅信息；⑤橫波在震源兩側(cè)，存在極性反轉(zhuǎn)，采用道編輯極性反轉(zhuǎn)，或采用負(fù)偏移距整體靜校正，校正量為正偏移距的半個周期，消除極性相反的影響。

3 應(yīng)用效果與分析

如圖6所示，根據(jù)該剖面的波組特征，解釋了3組反射波T0、T1、T0-1。結(jié)合鉆孔柱狀對比圖(圖5)，可以推斷出T0為第四系底界面產(chǎn)生的反射波,反射波的深度在180 m，T1為白云巖頂界面反射波，深度在240 m左右；T0-1第四系內(nèi)的粘土與粗沙層產(chǎn)生的強波阻抗界面產(chǎn)生的反射波深度在80 m左右。這些反射波組連續(xù)性較好,可連續(xù)追蹤對比。CDP108、CDP195和 CDP280處解釋有3條斷層F1-F3,其中F1和F2條斷層都使T1反射波發(fā)生了錯斷，而F3沒有，但上面的反射波組有相應(yīng)的不連續(xù)，不能準(zhǔn)確地判斷是否延伸到了第四系內(nèi)部，F(xiàn)2使T0-1反射波發(fā)生了錯斷，但是具體錯斷到哪個深度和層位，縱波難以確定，這需要勘探精度更高的橫波勘探進行解釋，這3條斷層相距較近，推測為同一組斷層。F2斷層的可靠性較高，與夏墊斷裂的中深部構(gòu)造對應(yīng)較好，夏墊斷裂為正斷裂，從走向、傾向SE和傾角，結(jié)合縱波的勘探結(jié)果確定的布置鉆井的位置；在斷層附近，反射波的信噪比較低，連續(xù)性較差，結(jié)合圖4和ZK8～ZK9可知，地層在244 m處白云巖層見棕黃色含礫粘土，222 m處見次級斷裂，且見斷層擦痕，第四系內(nèi)部，地層變化較劇烈，對于第四系內(nèi)部的分層縱波分層已難以解決，T0-1反射層部分不連續(xù)可能是地層變化劇烈造成的，如果第四系內(nèi)部小的錯段，不會引起斷層附近的地層發(fā)生明顯破碎，大體上會填充斷層泥，而且需要結(jié)合橫波的資料。

圖4 第四系等厚線圖Fig．4 Quaternary system isopach map

圖5 鉆孔地層剖面柱狀對比圖Fig．5 Drilling stratigraphic correlation diagram

如圖7和圖8所示，橫波的勘探深度在150 m以內(nèi)，反射波受斷層破碎的影響較小，其信噪比相對較高。根據(jù)地震剖面上的波組特征，結(jié)合已掌握的地質(zhì)資料，認(rèn)為F1～F3斷層為本次實驗重點探測的夏墊斷裂。根據(jù)測區(qū)第四系等厚線圖(圖4)和鉆孔柱狀對比圖(圖5)，在圖5的粘土層和礫石層接觸面，有強反射，且和深度剖面對應(yīng)較好，SH波和SV波的疊加剖面的分辨率有較大差異，是不同類型的波反映的介質(zhì)特征的差異所致，推斷SV波在斷層附近發(fā)生橢圓偏振[10]，斷層附近反生轉(zhuǎn)換。在已知鉆井驗證、這幾種波的地震特征對比后，聯(lián)合探測解釋，主要是相位和振幅，特別在斷層F2和斷層F3處，結(jié)合鉆孔揭露層位對比，地層的標(biāo)定較強的波阻抗差異的層位，橫波在第四系內(nèi)部分三個層位，從淺到深T0-3、T0-2和T0-1，斷層F2在SH剖面上顯示到達(dá)了40 m，SV剖面是60 m，不同類型的橫波反映的介質(zhì)特性有差別，SV波在F2斷層在60 m處振幅和速度變化不明顯，但SH波明顯，地下地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具體產(chǎn)生的原因，需要探討，在F3斷層附近兩種橫波都較明顯，速度和振幅都發(fā)生變化，深度和位置對應(yīng)交好(圖3)，設(shè)礫石層速度等于導(dǎo)出的均方根速度(245 m/s)，SV波主頻為70 Hz，那么粘土層1/4波長厚度就為0.88 m，SH主頻為50 Hz，粘土層1/4波長厚度就為1.23 m，即鉆孔內(nèi)土層的變化在3 m內(nèi)都可以在橫波的剖面上反映出來。ZK8和ZK9在第四系內(nèi)部粘土層分布不均勻，變化較大，橫波剖面的強反射同向軸與粘土層位置、深度變化一致，說明使用橫波勘查第四系土層的變化層位準(zhǔn)確、深度可靠。橫波地震剖面推斷F1-F3斷裂，SH波深度剖面F3斷裂已經(jīng)延伸到了20 m左右層位，因上層反射波層位信噪比較低，已難判斷是否延伸更淺層位；SV波深度剖面在20 m左右層位，其上反射波層位信噪比相對較高，推斷斷層已延伸到該層位，結(jié)合SH波資料，綜合二種橫波剖面，推斷F3斷層延伸到了20 m，在T0-3層位之上；結(jié)合地質(zhì)資料，其地層應(yīng)該是Q3p的晚期，這與地質(zhì)、電法資料和鉆探揭露的一致。

4 初步結(jié)論

通過縱、橫波試驗研究，結(jié)合鉆孔層位資料，基本上控制了夏墊斷裂在第四系內(nèi)部斷層的走向、具體延伸位置及其活動特性，對斷層在第四系內(nèi)部發(fā)育情況有了新的認(rèn)識：橫波勘探發(fā)現(xiàn)了第四系內(nèi)部發(fā)育一定數(shù)量的次生隱伏斷裂，并且斷裂延伸到了更新世晚期，斷層深度較淺，橫波勘探對于第四系內(nèi)部的分層有較好的效果。

圖6 3 m縱波深度地震剖面Fig．6 3 m P wave depth seismic section

圖7 3 m SV波深度地震剖面Fig．7 3 m SV wave depth seismic section

圖8 3 m SH波深度地震剖面Fig．8 3 m SH wave depth seismic section

鑒于橫波資料的特點，橫波的去噪和速度分析是橫波數(shù)據(jù)處理的難點，通過對橫波資料處理、解釋及與鉆井資料對比結(jié)果，尋找近地表第四系內(nèi)隱伏斷裂方法橫波勘探效果明顯，但還有許多問題值得進一步研究：淺層縱波及橫波深度偏移后基本沒有變化，這與以往的處理有很大差別，推斷可能是速度變化較小。通過開展縱、橫波淺層地震勘探尋找隱伏斷裂方法研究也取得了一些經(jīng)驗：①從數(shù)據(jù)采集入手，采用高性能的勘探設(shè)備，適宜的震源、最佳的觀測系統(tǒng)，利用合理的抗干擾手段，獲得最佳地震記錄；②淺層地震數(shù)據(jù)處理以提高分辨率為主要目的，淺層地震數(shù)據(jù)在達(dá)到要求分辨率的基礎(chǔ)上，減少修飾手段，如小的異常經(jīng)過混波后，異常消失或減弱；在合適的時窗下進行速度、頻率域二維濾波、相關(guān)濾波及疊前多域去噪，對提高分辨率有較好的效果；處理過程中對數(shù)據(jù)要進行時頻分析，去噪以適合為主；速度抬升后的速度分析、常速掃描提高波速拾取準(zhǔn)確度，疊加速度準(zhǔn)確；③橫波勘探在淺層活斷層調(diào)查中具有明顯優(yōu)勢，縱向分辨率和橫向分辨率都較高，能分辨薄的地層且定位準(zhǔn)確。在條件允許的情況下進行多波勘探，能夠彌補傳統(tǒng)縱波勘探丟失的近地表沉積層信息，聯(lián)合其他地球物理方法，如高密度電法，間接研究斷裂附近的土層的破碎程度，清晰掌握地下結(jié)構(gòu)由淺至深的空間展布形態(tài)有一定效果。

致謝

特別致謝北京地調(diào)院王志輝工程師提供的部分地質(zhì)和鉆井資料。

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