高速巖體反射地震探測中的數(shù)據(jù)采集與處理

李 穩(wěn) 郭雯雯 侯黎華 酆少英 劉保金

1 中國地震局地球物理勘探中心, 鄭州市文化路75號, 450002 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京市北土城西路19號, 100029 3 鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院信息工程學(xué)院, 鄭州市天河路36號, 450049

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高速巖體反射地震探測中的數(shù)據(jù)采集與處理

李 穩(wěn)1,2郭雯雯3侯黎華1酆少英1劉保金1,2

1 中國地震局地球物理勘探中心, 鄭州市文化路75號, 450002 2 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所, 北京市北土城西路19號, 100029 3 鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院信息工程學(xué)院, 鄭州市天河路36號, 450049

為了調(diào)查內(nèi)蒙古阿拉善某高放廢物地質(zhì)處置庫預(yù)選場址中目標(biāo)花崗巖體的空間展布、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邊界接觸關(guān)系，應(yīng)用人工反射地震探測技術(shù)，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，獲得了針對大型高速巖體的近地表速度剖面和地震反射波法成像剖面。針對崎嶇地表工區(qū)近地表速度建模與層析靜校正、強(qiáng)散射干擾波壓制等問題，引進(jìn)基于MSFM射線追蹤算法的初至波旅行時(shí)層析反演與層析靜校正技術(shù)、改進(jìn)的矢量分解壓噪方法等，并在常規(guī)高分辨反射地震數(shù)據(jù)處理流程的基礎(chǔ)上形成了適合于高速巖體地震探測的精細(xì)數(shù)據(jù)處理流程。

高放廢物地質(zhì)處置庫；高速巖體；反射地震勘探；初至波層析反演；矢量分解法

對于高放廢物的最終處置，目前普遍接受的方案是把高放廢物埋置在距離地表500～1 000 m的地質(zhì)體中[1]。深部地質(zhì)體的完整性與穩(wěn)定性是選址工作中的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。為了對高放廢物地質(zhì)處置備選場址進(jìn)行準(zhǔn)確全面的評價(jià)，需要進(jìn)行構(gòu)造地質(zhì)、水文、地球物理、鉆探等多方面的研究，地震勘探是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。與在沉積區(qū)開展的地震勘探工作[2-3]不同，內(nèi)蒙古阿拉善某高放廢物地質(zhì)處置庫選址中的地震探測是以大型高速花崗巖體為探測目標(biāo)，在數(shù)據(jù)采集和后續(xù)資料處理中始終面臨著地表崎嶇、近地表低速層帶橫向變化劇烈和高速巖體頂界面埋深極淺甚至直接出露于地表等諸多不利因素的影響。為了解決這些問題，本次地震勘探在野外數(shù)據(jù)采集和資料處理階段引進(jìn)了一些具有針對性的技術(shù)。

1 工作區(qū)概況與地震測線位置

地震探測工作區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)西部，巴丹吉林沙漠東緣，海拔1 300～1 500 m。工作區(qū)所在位置見圖1。圖中，紅色線條為結(jié)合最新地質(zhì)研究成果和衛(wèi)星圖像解譯出的推測斷層，需要進(jìn)一步的地球物理探測工作和詳細(xì)的地質(zhì)勘查工作來核實(shí)。

圖1 推測斷層及地震測線位置分布圖Fig.1 Might exist faults and the location of seismic lines

根據(jù)已發(fā)表的研究成果[4]，測區(qū)內(nèi)出露的地層主要包括前寒武紀(jì)變質(zhì)表殼巖系、中下侏羅統(tǒng)芨芨溝組(J1-2j)、下白堊統(tǒng)巴音戈壁組(K1b)和第四系。測區(qū)總體上可分為西北部的晚古生代巖漿活動帶和東南部的中新生代盆地兩大地質(zhì)單元(圖2)。中新生代盆地主要為侏羅-白堊紀(jì)的砂礫巖沉積；晚古生代巖漿活動帶主要分布著晚古生代的侵入巖，在巖漿巖帶中殘留著前寒武紀(jì)變質(zhì)結(jié)晶基底及早古生代巖漿巖，并被印支期巖漿侵入。工作區(qū)內(nèi)巖漿巖在空間上多為北東東向延伸，褶皺構(gòu)造不發(fā)育，不同延伸方向的斷裂構(gòu)造及韌性剪切帶是區(qū)內(nèi)主要的構(gòu)造形跡。

根據(jù)探測目標(biāo)、地質(zhì)任務(wù)，并經(jīng)過現(xiàn)場踏勘，布設(shè)了2條近平行的地震測線，分別命名為塔木素1線(TMS1)和塔木素2線(TMS2)，在圖1、圖2中以藍(lán)色線條標(biāo)示。兩條地震測線均自南向北探測。其中，TMS1線(40.712 961 4°N、103.131 005 3°E～40.797 889 9°N、103.085 105 8°E)起于新呼都格附近大范圍的三疊紀(jì)花崗巖(Tηγ)出露區(qū)，穿過巴嘎·額爾崩北部的第四系沖洪積物(Qhpl+eol)覆蓋區(qū)，以及海子·阿德爾根韌性剪切帶，總長度10.196 km。TMS2線(40.648 470 1°N、103.258 013 3°E～40.794 809 5°N、103.205 057 1°E)起于測區(qū)東南部中新生代盆地內(nèi)部，穿過陶來阿木韌-脆性變形帶、 扣爾根·呼都格一帶大范圍的晚二疊世花崗巖(P3γδ)出露區(qū)、呼和·溫多爾一帶三疊紀(jì)花崗巖(Tηγ)出露區(qū)、地表基本被第四系上更新統(tǒng)洪積物(Qp3pl)覆蓋的伊和圖克木白堊紀(jì)盆地的西南角以及盆地西側(cè)的呼和·溫多爾-查干陶勒蓋韌性剪切帶，總長度16.856 km。

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造研究成果，塔木素2線橫跨測區(qū)東南部的中新生代盆地和西北部的晚古生代巖漿活動帶兩大地質(zhì)單元，沿測線地表施工條件復(fù)雜，其探測成果能夠體現(xiàn)目標(biāo)巖體的南部邊界、風(fēng)化層或蓋層以下巖體穩(wěn)定部分的頂界、巖體內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)(尤其是有無斷層、破裂面的存在以及它們的性質(zhì))，能夠更好地反映在崎嶇地表工作區(qū)開展以高速巖體為探測目標(biāo)的地震探測工作的特點(diǎn)，因此將其作為本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容。

1.全新統(tǒng)沖洪積物Qhpal 2.全新統(tǒng)洪積+風(fēng)積物Qhpl+eol 3.上更新統(tǒng)洪積物Qp3pl 4.下白堊統(tǒng)巴音戈壁組K1b 5.中下侏羅統(tǒng)芨芨溝組J1-2j 6.三疊紀(jì)中細(xì)粒二長花崗巖Tηγ 7.早三疊世中細(xì)粒含斑二長花崗巖T1ηγ 8.晚二疊世中粒似斑狀二長花崗巖P3ηγπ 9.晚二疊世中細(xì)?；◢忛W長巖P3γδ 10.晚二疊世中粒含斑石英閃長巖P3δο 11.晚二疊世中細(xì)粒閃長巖P3δ 12.中二疊世二云母花崗巖P2γ 13.中二疊世似斑狀二長花崗巖P2ηγπ 14.中二疊世片麻狀石英閃長巖P2δο 15.早石炭世片麻狀二長花崗巖C1ηγ 16.扎蓋圖片麻巖Zhgn 17.前寒武片巖巖組Pt3sch 18.前寒武角閃斜長片麻巖巖組Pt3bpg 19.前寒武黑云斜長片麻巖巖組Pt3phg圖2 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造綱要圖與地震測線位置Fig.2 Geological structure map of study area and the location of seismic lines

2 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與地震數(shù)據(jù)采集

2.1 地震儀器與地震觀測系統(tǒng)

本次地震探測使用法國Sercel公司生產(chǎn)的SN408數(shù)字地震儀。地震檢波器采用固有頻率為60 Hz的高頻檢波器，以3串1并的方式連接。從提高地震資料信噪比和分辨率的角度出發(fā)并兼顧環(huán)保和安全問題，地震波激發(fā)源選用了M18-612型大噸位可控震源，工作方式為連續(xù)變頻掃描，掃描頻率20～160 Hz，掃描長度12 s。

除了儀器因素，合理的地震觀測系統(tǒng)對獲得好的探測結(jié)果同樣至關(guān)重要。由于是首次對研究區(qū)開展地球物理探測工作，施工時(shí)沒有可參考的地下速度結(jié)構(gòu)研究成果，因此遵循“密集點(diǎn)距、密集炮距、多道觀測、高頻激發(fā)、寬帶接收”的原則設(shè)計(jì)地震觀測系統(tǒng)，部分采集參數(shù)結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)確定。最終形成的地震觀測方案為：道間距4 m；接收道數(shù)300道；炮間距24 m；采樣間隔1 ms；記錄長度3 s；單邊追逐激發(fā)或中間激發(fā)雙邊不對稱接收；覆蓋次數(shù)≥25次；最小和最大偏移距視不同測段的地質(zhì)條件和干擾波的發(fā)育情況現(xiàn)場確定并適時(shí)調(diào)整(通常最小偏移距為4～16 m，最大偏移距約為1.2 km)。

如圖3所示，本次地震勘探沿測線地表起伏明顯、高程變化劇烈，屬于崎嶇地表的范疇。當(dāng)遇到障礙測段時(shí)，為了保證對地下反射信息的連續(xù)追蹤，需要根據(jù)障礙類型、規(guī)模、現(xiàn)場激發(fā)接收條件等采取合理的改變觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)(簡稱變觀設(shè)計(jì))。在本次野外施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場障礙情況并結(jié)合中國地震局地球物理勘探中心自主研發(fā)的淺層地震勘探過障礙變觀設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行變觀處理，最終形成的TMS2線地震觀測系統(tǒng)綜合平面圖見圖4。

圖3 TMS2線沿測線地表高程變化曲線Fig.3 Surface elevations along TMS2 line

圖4 TMS2線地震觀測系統(tǒng)綜合平面圖Fig.4 Seismic geometry of TMS2 line

圖5為TMS2線上3幅典型的野外單炮地震記錄(TWT為雙程走時(shí))。可以看出，當(dāng)?shù)卣鹋帕形挥谥行律璧厣戏綍r(shí)(圖5(a))，可接收到大量的反射信息，地震記錄中反射波同向軸豐富；而當(dāng)?shù)卣鹋帕形挥诟咚賻r體上方時(shí)，如圖5(b)和圖5(c)所示，地震記錄上的反射波信號稀疏而且微弱。這是因?yàn)閷τ谳^為致密的高速巖體單元，雖然其表面波阻抗較大，但其內(nèi)部的波阻抗差卻很小，因此在巖體內(nèi)部能夠形成的反射信息不足。

圖5 典型原始野外單炮記錄Fig.5 Typical original single-shot seismic records

2.2 地震數(shù)據(jù)處理

對于本次地震探測來說，沿測線地表高程落差大，地貌橫向變化顯著，老地層、巖體頂界面埋深淺甚至直接出露于地表，并且大部分巖體出露部分風(fēng)化嚴(yán)重。因此復(fù)雜地表工區(qū)近地表速度建模與層析靜校正問題、強(qiáng)散射干擾波壓制問題是本次地震數(shù)據(jù)處理工作中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。我們在常規(guī)高分辨反射波法地震數(shù)據(jù)處理流程的基礎(chǔ)上，引進(jìn)了基于MSFM(multi-stencils fast marching，多模板快速步進(jìn))射線追蹤算法的初至波旅行時(shí)層析反演技術(shù)，建立了準(zhǔn)確、精細(xì)的近地表速度模型，并利用所獲得的速度模型成果完成了后續(xù)對于陸上復(fù)雜地表工區(qū)地震勘探至關(guān)重要的層析靜校正工作；同時(shí)，利用改進(jìn)的矢量分解壓噪方法在疊前濾除地震散射干擾波。

2.2.1 崎嶇地表工區(qū)近地表速度建模與層析靜校正

地震波走時(shí)層析成像是解決速度建模問題的重要技術(shù)，高效、高精度且能適應(yīng)復(fù)雜模型的射線追蹤算法[5-6]是該技術(shù)的關(guān)鍵。有別于傳統(tǒng)的試射(Shooting)法和彎曲(Bending)法，MSFM射線追蹤算法是一種將波傳播描述為波前面擴(kuò)展，通過求解用程函方程描述的波前面演化，再從接收點(diǎn)沿地震波走時(shí)梯度方向追蹤得到接收點(diǎn)和震源點(diǎn)之間路徑的射線追蹤算法[7]。利用該算法進(jìn)行射線追蹤突破了層狀假設(shè)，使能夠利用的地震初至波包括直達(dá)波、回轉(zhuǎn)波、折射波或多個(gè)層折射波的組合。

圖6 塔木素2線近地表速度層析反演結(jié)果Fig.6 TMS2 line near-surface velocity tomography result

圖6為利用該技術(shù)得到的TMS2線近地表速度層析反演結(jié)果。這一高精度、高分辨的速度建模結(jié)果可以直接應(yīng)用于后續(xù)的層析靜校正處理(圖7)，還可以作為進(jìn)行地震解釋工作時(shí)重要的參考資料。

圖7 層析靜校正處理效果Fig.7 Tomographic static correction processing effect

2.2.2 利用改進(jìn)的矢量分解壓噪方法濾除近地表散射波

地震散射波是當(dāng)散射障礙體的線度與入射波波長相比很小或相近時(shí)，由于干涉效應(yīng)產(chǎn)生的與散射障礙體幾何形狀的規(guī)則性有關(guān)的相干或不相干波列[8]。當(dāng)表層介質(zhì)小尺度非均勻性強(qiáng)時(shí)，易產(chǎn)生強(qiáng)烈的地震散射波干擾，并且往往以眾多散射波互相疊加的復(fù)雜形態(tài)出現(xiàn)。本次地震探測工作區(qū)內(nèi)不同尺度的非均勻地質(zhì)體共生，老地層、巖體頂界埋深淺且橫向變化大，沿地震測線戈壁、陡坎以及風(fēng)化嚴(yán)重的巖體露頭隨處可見，因此強(qiáng)散射干擾波在本次獲得的原始地震記錄上普遍存在，嚴(yán)重影響著地震數(shù)據(jù)的品質(zhì)。根據(jù)前人的研究成果，散射波的速度與面波相當(dāng)，但散射波的頻段位于有效波的頻段范圍內(nèi)[9]，因此對散射波的處理不能采用簡單的頻率濾波手段。在本次數(shù)據(jù)處理過程中，利用散射干擾波與有效反射信號傳播方向不同的特點(diǎn)，選用了改進(jìn)的矢量分解法保幅去噪技術(shù)[10-11]在疊前濾除散射噪聲。

圖8為某散射噪聲干擾嚴(yán)重的典型單炮地震記錄去噪前、去噪后以及濾出的噪聲圖像?？梢钥闯?，經(jīng)過處理，有效反射波同相軸顯得更加清晰和連續(xù)，地震記錄信噪比得到顯著提高。在圖8(c)展示的濾出的噪聲圖像上可以直觀地看到，濾出的噪聲散射特征明顯，并且在噪聲剖面上基本觀察不到有效波同相軸的影像。

圖8 改進(jìn)的矢量分解壓噪方法濾除地震散射波Fig.8 De-noising scattered wave using the improved vector resolution noise removal approach

在前文基礎(chǔ)上，本次反射地震探測最終形成如下的常規(guī)數(shù)據(jù)處理流程(圖9(a))和精細(xì)數(shù)據(jù)處理流程(圖9(b))。兩者之間的主要區(qū)別為：在常規(guī)處理流程中，靜校正工作通過高程靜校正+折射靜校正的方法完成，對于近地表散射波干擾未進(jìn)行針對性處理。在精細(xì)處理流程中，通過高精度速度建模與層析靜校正更為合理、有效地解決了陸上復(fù)雜工區(qū)地震資料的靜校正問題，并對地震散射干擾波進(jìn)行了重點(diǎn)壓制。特殊處理方法所得的中間處理結(jié)果對于改善后續(xù)速度分析、疊加、偏移成像等諸多處理環(huán)節(jié)的效果均有有益影響。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比分析

圖10為對TMS2線地震數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)處理(圖10(a))和精細(xì)處理(圖10(b))后得到的反射波時(shí)間偏移剖面。圖11是根據(jù)圖10(b)以及圖6所示的近地表速度層析反演結(jié)果作出的地震解釋剖面圖。可以看出，在常規(guī)處理結(jié)果中，由于靜校正問題和近地表散射波問題的存在，直接影響了對風(fēng)化層和蓋層以下巖體穩(wěn)定部分頂界面的追蹤。剖面淺部來自巖體頂界的反射波組同相軸連續(xù)性不佳；對于某些同相軸錯斷的位置(如5 500、9 000 m剖面樁號的下方)，難以判斷其是否預(yù)示著小型裂隙的存在。在剖面南端反映中新生代盆地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖面部分，反射波同相軸的連續(xù)性、清晰度及其所揭示的地層產(chǎn)狀的可靠性等均有待進(jìn)一步加強(qiáng)。在進(jìn)行精細(xì)處理所得的反射波成像剖面上，由1～2個(gè)強(qiáng)能量同相軸組成的來自巖體穩(wěn)定部分頂界的反射波組相對連續(xù)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，該反射波組在橫向上的起伏變化形態(tài)、連續(xù)性特征與圖11(a)所示的高速體頂面特征相一致，并且與圖2所揭示的不同巖性出露區(qū)之間的分界存在良好的對應(yīng)關(guān)系。在剖面樁號約4 240 m以南反映中新生代盆地內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剖面部分，圖10(b)也顯示了更好的成像效果。

圖9 數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.9 Data processing flow

圖10 塔木素2線數(shù)據(jù)處理結(jié)果對比Fig.10 The contrast of data processing results of TMS2 line

利用本次地震勘探成果進(jìn)行地震地質(zhì)解釋(見圖11)，首先在剖面南端可以可靠地識別出AU1、AU2、和AU3三組不整合構(gòu)造關(guān)系。其中，AU3為分隔了目標(biāo)巖體與其南側(cè)中新生代盆地的目標(biāo)巖體邊界。在AU1、AU2兩側(cè)，上覆與下伏的反射波組之間存在明顯的交角，反映出上覆地層與下伏地層的產(chǎn)狀不一致并以一定的角度相交，這種現(xiàn)象正是角度不整合構(gòu)造關(guān)系在地震剖面上的典型反映。同時(shí)，在近地表速度剖面(圖11(a))上，與AU1、AU2、AU3所對應(yīng)的位置存在梯度特征明顯的速度分界。根據(jù)反射波場特征，可在地震剖面上識別出4個(gè)斷點(diǎn)，分別以FP1～FP4標(biāo)示，其位置如圖中紅色虛線所示。此外，還可識別出一組來自巖體深部的弧狀反射波組，以R1標(biāo)示。其反映了巖體在成巖或之后的過程中受到過擠壓應(yīng)力環(huán)境的作用，該剖面特征與對該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景認(rèn)識相吻合。

圖11 塔木素2線地震解釋剖面Fig.11 TMS2 line interpretation profile

4 結(jié) 語

以大型高速巖體為目標(biāo)開展反射地震探測工作時(shí)，需要根據(jù)特殊的地質(zhì)任務(wù)、探測目標(biāo)以及通常情況下較為不利的施工環(huán)境，引進(jìn)有針對性的數(shù)據(jù)采集、處理方法。在本次針對內(nèi)蒙古阿拉善某大型目標(biāo)花崗巖體的地震探測中，重點(diǎn)解決了野外靈活變觀數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜地表工區(qū)高精度近地表速度建模與層析靜校正、強(qiáng)散射干擾波壓制等問題，提高了最終地震成像剖面的質(zhì)量。

本次地震探測實(shí)際采用了反射波法地震勘探與初至波旅行時(shí)層析反演相結(jié)合的工作方法?？梢园l(fā)現(xiàn)，對于高速巖體內(nèi)部的小型斷層、裂隙，其在反射波成像剖面上的展布形態(tài)與在淺層速度剖面上的形態(tài)特征之間具有良好的對應(yīng)關(guān)系?？梢哉J(rèn)為，對于巖體頂界面埋深淺甚至直接出露于地表的大型高速巖體進(jìn)行地震勘探時(shí)，采用反射波法界面成像和初至波速度成像相結(jié)合的方法，可以獲得更加準(zhǔn)確、可靠的探測與解釋成果。

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Reflection Seismic Data Acquisition and Processing Technology Used in Detecting the High-Velocity Rock Body

LIWen1,2GUOWenwen3HOULihua1FENGShaoying1LIUBaojin1,2

1 Geophysical Exploration Center, CEA, 75 Wenhua Road, Zhengzhou 450002, China 2 Institute of Geology and Geophysics, CAS, 19 Beituchengxi Road, Beijing 100029, China 3 College of Information Engineering,Zhengzhou Institute of Finance and Economics, 36 Tianhe Road, Zhengzhou 450049, China

In order to investigate the spatial distribution, internal structure, and boundary contact relations of target granite rock at Inner Mongolia Alxa pre-selected high-level radioactive waste geological)

high-level radioactive waste geological repository; high-velocity rockc body; reflection seismic exploration; first-arrival wave tomography inversion; vector resolution noise removal

National Natural Science Foundation of China, No. 40874045,41374100.

LIU Baojin, researcher, PhD supervisor, majors in exploration geophysics and seismology,E-mail: LBJ001@126.com.

2016-04-27

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金(40874045,41374100)。

李穩(wěn),博士生,主要從事地震勘探數(shù)據(jù)處理方法和地震資料解釋研究，E-mail: liwen_work@163.com。

劉保金,研究員,博士生導(dǎo)師,主要從事勘探地球物理和地震學(xué)研究，E-mail: LBJ001@126.com。

10.14075/j.jgg.2016.12.001

1671-5942(2016)012-1035-06

P315；P631

A

repository site, seismic detecting work is carried out. Near-surface velocity tomography inversion profiles and seismic reflection profiles are obtainedby acquiring and processing the seismic data.This seismic exploration work aimsat technical problems such as ruggedness surface work area near-surface velocity model-building, tomographic statics correction, and strong seismic scattered wave pressing. To this end, we adoptakind of MSFM(multi-stencils fast marching) based first-arrival travel-time tomography inversion technology, and an improved vector resolution noise removal approach.Meanwhile, based on routine high resolution reflection seismic exploration data processing flow, a set of customized fine data processing flow is set up.

About the first author:LI Wen, PhD candidate, majors in seismic data processing and seismic interpretation,E-mail: liwen_work@163.com.