淺層地震反射波法在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

摘 要：地震反射波法在探測(cè)覆蓋層厚度、基巖的起伏和埋深、地下各巖層的走向及深度變化、滑坡體滑動(dòng)面的深度和發(fā)育情況都取得良好的應(yīng)用效果。文章以四川省青川縣為例，介紹了淺層地震反射波法在勘探不良地質(zhì)體中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：淺層地震反射波法；地質(zhì)災(zāi)害；應(yīng)用效果

引言

我國(guó)幅員遼闊，地形起伏較大，整體上呈西高東低之勢(shì)。西南地區(qū)由于長(zhǎng)期受板塊擠壓的影響，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)比較活躍，常伴有各種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常導(dǎo)致較大的人身財(cái)產(chǎn)的損失。因此，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評(píng)價(jià)成為了預(yù)防災(zāi)害、減小損失的重要手段。

青川縣地處四川盆地北部邊緣，白龍江下游，川、甘、陜?nèi)〗Y(jié)合部，位于東經(jīng)104°36'-105°38'，北緯32°12'-32°56'，處于中國(guó)中西部交接地帶上，龍門(mén)山后山大斷裂汶川-茂縣-平武-青川一線。自5.12汶川地震后，青川地區(qū)地質(zhì)活動(dòng)異常活躍，加之其地質(zhì)條件復(fù)雜，地形地貌起伏較大，導(dǎo)致該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，已經(jīng)嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)孛癖姷娜松碡?cái)產(chǎn)安全。

由于鉆探一孔之見(jiàn)的局限性以及高昂的勘探成本，使得通過(guò)鉆探的方法來(lái)勘探地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型以及發(fā)育程度是不合理也不夠科學(xué)的，地震反射波法由于具有分層能力強(qiáng)、勘測(cè)場(chǎng)地小、不受地層速度倒轉(zhuǎn)限制和所需震源能量小等特點(diǎn)，在地質(zhì)災(zāi)害勘探中發(fā)揮了重要的作用。

1 淺層地震反射波法基本原理

地震勘探是利用地下介質(zhì)彈性和密度（波阻抗）的差異，通過(guò)觀測(cè)和分析人工地震產(chǎn)生的地震波在地下的傳播規(guī)律，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)的一種地球物理勘探方法。在淺層的地質(zhì)災(zāi)害勘探中，多采用具有高頻率、高分辨率的淺層地震反射波法。

作為地震勘探的一個(gè)分支，淺層地震反射波法同樣是以地層波阻抗的差異為勘探的前提，通過(guò)人工或者微型炸藥產(chǎn)生瞬間的脈沖，脈沖在地下地層中的傳播，遇到彈性分界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，攜帶了地層信息的地震反射波通過(guò)地面的檢波器進(jìn)行接收采集。根據(jù)式（1）可知，地震反射波的時(shí)距曲線為雙曲線，根據(jù)地層傾斜方向和角度不同，時(shí)距曲線的形態(tài)也不一樣。通過(guò)對(duì)該曲線特征分析和研究，可得到地下介質(zhì)的變化情況，達(dá)到勘探的目的。

時(shí)距曲線方程為：

t=■■ （1）

式中：t為波旅行時(shí)間（s），x為激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離（m），v為介質(zhì)的波速（m/s），h為深度（m），？漬為傾角（°）。

2 現(xiàn)場(chǎng)工作方法

2.1 工區(qū)地震地質(zhì)條件

任務(wù)的目的是對(duì)指定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行淺層地震勘探，提供監(jiān)測(cè)點(diǎn)處深度超過(guò)50米解釋的地震剖面。在已有的地質(zhì)資料中，可知該地區(qū)的主要巖性為灰?guī)r、變質(zhì)的千枚板巖以及淺層的第四系覆蓋層，各種巖性之間存在明顯的速度差異，這給運(yùn)用淺層地震勘探提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。此外，由于該地區(qū)的覆蓋層厚度較?。?～15m），避免了地震波在覆蓋層內(nèi)較大的能量損失。因此，在有效的勘探范圍內(nèi)，通過(guò)淺層地震反射波法能夠了解地下各層的走向以及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育情況。表1 提供了工區(qū)內(nèi)各巖石的波速范圍。

2.2 儀器及參數(shù)設(shè)置

數(shù)據(jù)采集使用勞雷公司的喬美特利地震儀，其主要技術(shù)指標(biāo)為：分布式觀測(cè)系統(tǒng)，PC控制，適合二維和三維觀測(cè)。二維觀測(cè)時(shí)由PC機(jī)控制接收道，具有高分辨率?？垢蓴_能力強(qiáng)，能適應(yīng)大部分工作環(huán)境等特征。

根據(jù)勘探目的以及對(duì)勘探精度的要求，結(jié)合勘探的實(shí)地情況，本次淺層地震勘探選擇了六次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)，采用單邊激發(fā)、垂直疊加、24道接收的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；為滿足覆蓋次數(shù)的要求，結(jié)合各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際地形條件，數(shù)據(jù)采集采用的道間距為1米，偏移距為4米。

2.3 檢波器一致性

為保證儀器的正常工作和檢波器的一致性，在試驗(yàn)工作之前對(duì)檢波器進(jìn)行了一致性的檢查，檢查結(jié)果如圖1。

由圖1可見(jiàn)，除去初始的噪音干擾，前三組同相軸波形穩(wěn)定、相位連續(xù)、能量較為均衡、時(shí)間無(wú)延遲且各道間的相位差不超過(guò)3ms，表明儀器的道一致性良好且穩(wěn)定，達(dá)到工作要求。

2.4 干擾波調(diào)查

進(jìn)行正式的工作之前，在工區(qū)選擇合適的地段開(kāi)展了拓展排列試驗(yàn)以進(jìn)行干擾波的調(diào)查。典型的拓展排列記錄如圖2所示。

從拓展排列試驗(yàn)記錄可以看出，場(chǎng)地內(nèi)干擾波主要為面波和高頻隨機(jī)干擾，通過(guò)拓展排列記錄的分析，確定了干擾波和有效波的接收范圍，以對(duì)后期的正式施工提供指導(dǎo)。

3 室內(nèi)數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重點(diǎn)是消除和壓制干擾，提高信噪比和分辨率。在室內(nèi)資料處理過(guò)程中，采用了國(guó)際著名的加拿大SIS（Seismic Image Software Ltd.）公司的VISTA地震數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理。

處理的思路是在初步處理的基礎(chǔ)上，對(duì)初步處理的中間結(jié)果進(jìn)行分析，選擇和調(diào)試各種處理參數(shù)，經(jīng)多次試驗(yàn)后確定該場(chǎng)地的處理流程和相應(yīng)的處理參數(shù)。

野外采集的原始記錄質(zhì)量較好，干擾波主要為面波和聲波以及隨機(jī)干擾。通過(guò)對(duì)該觀測(cè)點(diǎn)的全部記錄作頻譜分析，客觀地反映了淺層地震記錄的頻率分布范圍。在對(duì)各記錄頻譜進(jìn)行分析的過(guò)程中，分別選取了不同頻率范圍的濾波器進(jìn)行了數(shù)字濾波，經(jīng)多次試驗(yàn)和對(duì)比，在一定程度上壓制了聲波和高頻隨機(jī)干擾波，并用FK二維扇形濾波和相干加強(qiáng)的方式，對(duì)面波和其他干擾波進(jìn)行了壓制。在疊后的時(shí)間剖面上做了中值濾波和FK信噪分離，提高了最終輸出的反射水平疊加時(shí)間剖面的信噪比。數(shù)據(jù)處理的具體處理流程如圖3所示。

4 物探成果及分析

通過(guò)采用淺層地震反射波法、速度譜分析和速度掃描得到各層的平均速度和層速度，根據(jù)平均速度和層速度，對(duì)比分析時(shí)間剖面的反射波組，確定反射層的構(gòu)造形態(tài)，獲得了各測(cè)線的水平疊加時(shí)間剖面，見(jiàn)圖4～圖5。

由圖4和圖5可見(jiàn)，淺層地震剖面的波場(chǎng)層次清晰，分辨率較高。通過(guò)層位追蹤以及同相軸對(duì)比可以看出，在10ms到150ms之間存在明顯的反射波組，各波組之間同相軸連續(xù)性較好。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的地質(zhì)情況分析，地震剖面基本反映了50米左右深度內(nèi)的地質(zhì)情況。

由L1線水平疊加時(shí)間剖面可知，該處地下結(jié)構(gòu)可分為4層，測(cè)點(diǎn)第一層縱波速度Vp1為724m/s，底部埋深約為5米。第二層縱波速度Vp2為1312m/s，底部埋深約為15米。第三層縱波速度Vp3為2425m/s，底部埋深在25米至30米。第四層縱波速度Vp4為2885m/s，底部埋深約為40米，第四層以下縱波速度Vp5為3673m/s。橫向上，5～15米處同相軸出現(xiàn)斷裂或能量變?nèi)醯痊F(xiàn)象，推斷該處為破碎帶，破碎帶呈上窄下寬形狀。

由L2線水平疊加時(shí)間剖面可知，該處地下結(jié)構(gòu)可分為3層，測(cè)點(diǎn)第一層縱波速度Vp1為751m/s，底部埋深為20米至25米。第二層縱波速度Vp2為1521m/s，底部埋深為37米至42米。第三層縱波速度Vp3為2509m/s，底部埋深在55米至65米，第三層以下縱波速度Vp4為3319m/s。橫向上，在8到17米存在破碎帶或者巖性分界面，發(fā)育范圍較大，向下延伸且深度大于50米。

由于破碎帶或者其他災(zāi)害體的影響，地震反射波同相軸往往出現(xiàn)不連續(xù)，能量突然變?nèi)跻嗷蚴请s亂等情況。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)青川地區(qū)采用淺層地震反射波法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，基本查清了監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育及分布情況，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對(duì)青川地區(qū)采用高分辨率淺層地震反射波法進(jìn)行勘探，所采用的觀測(cè)系統(tǒng)以及后期的參數(shù)選取是完全正確的，取得了較好的效果。

（2）測(cè)區(qū)內(nèi)縱向上速度分層較為明顯。

（3）淺層地震剖面較好的顯示了地下反射層信息，

包括埋深以及走向等。

（4）物探成果認(rèn)為，在觀測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，在勘探深度范圍內(nèi)存在斷裂或破碎帶等不良地質(zhì)體。

物探是一種間接測(cè)試手段，本次工程物探工作是按照縱波速度劃分的巖性地層。結(jié)合此次野外工作，提出以下建議：

（1）在對(duì)地震資料的解釋過(guò)程中，應(yīng)該結(jié)合更多的工區(qū)地質(zhì)資料，以便提高解釋的精度。

（2）用多種物探手段（電法、電磁法）對(duì)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行勘探，采集多種物探數(shù)據(jù)，從多方面不同屬性了解該地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)。

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作者簡(jiǎn)介：易輝（1992-），男，四川廣安人，成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院地球探測(cè)與信息技術(shù)專(zhuān)業(yè)碩士研究生，研究方向：工程與環(huán)境地球物理。

楊玲（1992-），女，四川南充人，成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院專(zhuān)業(yè)碩士研究生，研究方向：資源管理與環(huán)境評(píng)價(jià)。