城市地下斷裂構(gòu)造可控震源地震勘探試驗(yàn)研究

丁美青， 胡澤安， 李建寧， 周會(huì)鵬， 胡雄武

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院， 淮南 232001)

城市地下斷裂構(gòu)造可控震源地震勘探試驗(yàn)研究

丁美青， 胡澤安， 李建寧， 周會(huì)鵬， 胡雄武

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院， 淮南 232001)

在城市地下空間開發(fā)過程中，斷裂構(gòu)造是引起地質(zhì)災(zāi)害的重要因素之一，有效探查斷層的位置、規(guī)模及深度，具有重要的意義。地震反射波法已逐漸應(yīng)用到城市地下空間異常地質(zhì)構(gòu)造地探查，但城市地表表層地震地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境噪音大，硬質(zhì)路面檢波器耦合較差，傳統(tǒng)錘擊震源能量弱、衰減快、信噪比低，勘探精度很難達(dá)到規(guī)范要求。這里以某城市勘探區(qū)探查地下斷裂構(gòu)造為例，利用可控震源激發(fā)，從能量、信噪比、頻率等方面對試驗(yàn)資料進(jìn)行分析，確定適合該區(qū)可控震源施工參數(shù)，提高了地震時(shí)間剖面的分辨率和探查精度，取得了良好的探查應(yīng)用效果。

斷裂構(gòu)造； 城市震探； 可控震源； 施工參數(shù)； 應(yīng)用效果

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和改革開放地迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市地下空間地應(yīng)用逐漸被提上議程。許多基礎(chǔ)設(shè)施以及各種建筑物逐漸從地上轉(zhuǎn)向地下，這就對城市地下空間的地質(zhì)構(gòu)造地探查提出了更高的要求。其中城市活斷層的探查尤為重要，有效探查城市活動(dòng)斷層的空間位置、深度等，可以降低城市地下空間開發(fā)過程中的危險(xiǎn)性[1-2]。物探方法中淺層反射地震波法是城市地下空間斷層構(gòu)造探測常用的技術(shù)方法之一，但由于城市施工條件的特殊性，地震勘探測線多布置在水泥及瀝青路面，檢波器與大地耦合效果較差，并且傳統(tǒng)的錘擊震源和炸藥震源勘探存在很大的局限性。如何解決城市環(huán)境下淺層地震勘探的激發(fā)技術(shù)，降低城市噪音對地震資料地影響，減小對城市環(huán)境地破壞，始終是地震勘探亟待解決的問題之一。

可控震源地震勘探自上世紀(jì)90年代初進(jìn)入高效采集階段并發(fā)展至今，具有激發(fā)信號精準(zhǔn)可控、數(shù)據(jù)采集效率高、信噪比高等優(yōu)勢，可在噪音背景較大的城市環(huán)境下使用，尤其是在檢波器與大地耦合效果較差的水泥及瀝青路面使用時(shí)，因其現(xiàn)場施工高效，地震信號良好等突出優(yōu)點(diǎn)，日益受到地球物理界的廣泛關(guān)注[3]。近年來，張玉軍等[4]應(yīng)用可控震源在激發(fā)條件復(fù)雜地區(qū)取得了良好的效果；潘紀(jì)順等[5]對于城市活斷層的探查應(yīng)用不同震源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，指出了可控震源的優(yōu)越性。筆者以某城市勘探區(qū)探查地下斷裂構(gòu)造為例，對城市環(huán)境下噪音影響較大，水泥路面耦合差的地區(qū)應(yīng)用可控震源地震勘探的具體施工和方法進(jìn)行介紹。

1 可控震源地震勘探原理

可控震源是通過振動(dòng)平板向地下空間發(fā)射一個(gè)時(shí)間較長，頻率不斷變化的正弦信號(掃描信號)。目前，地震勘探最為廣泛的是線性掃描信號，這種信號振幅穩(wěn)定，頻率隨時(shí)間變化呈線性關(guān)系[6]。圖1是線性掃描的典型例子。

圖1 線性掃描Fig.1 Linear sweep

線性掃描信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

0≤t≤T

式中：f1和f2分別是掃描信號的起始頻率和終了頻率；A為掃描信號的振幅；T為掃描信號的長度；t為時(shí)間變量；若表達(dá)式中取“+”號，則表示掃描頻率與時(shí)間呈正相關(guān)，這種掃描稱之為升頻掃描。若取“-”號，則表示掃描頻率與時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，這種掃描稱之為降頻掃描。

與傳統(tǒng)的重錘、氣槍和爆炸震源相比，可控震源是穩(wěn)態(tài)的，可持續(xù)地向地下傳播振動(dòng)。為了確保發(fā)射能量的強(qiáng)度，發(fā)射到地下空間的掃描信號要足夠長。因此，地下空間各層反射回來的原始信號，在時(shí)間上是相互重疊干涉的，由此形成可控震源原始信號記錄。這種震源記錄相互干涉，波形復(fù)雜，不僅無法確定反射層數(shù)，到達(dá)各反射層的時(shí)間也很難獲知。為了將可控震源記錄轉(zhuǎn)換成可供解釋的震源信號，地震主機(jī)引入“相關(guān)”的數(shù)學(xué)方法，對掃描信號進(jìn)行相關(guān)性運(yùn)算，生成原始炮集記錄。

相關(guān)是衡量兩種波形在何時(shí)最為相似的數(shù)學(xué)方法，主要是起到脈沖壓縮和濾波的作用[6]。由于線性掃描信號可由正弦函數(shù)關(guān)系式表達(dá)，所以可將線性掃描信號X(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到線性掃描的自相關(guān)函數(shù)X′(t)。經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算的線性掃描信號X′(t)就構(gòu)成了可控震源記錄的基本波形，通常被稱為相關(guān)子波。

2 可控震源與錘擊震源的區(qū)別

可控震源與傳統(tǒng)錘擊震源相比具有以下特點(diǎn)：

1)可控震源與錘擊震源地震勘探的地球物理基礎(chǔ)是相同的，激發(fā)信號在大地內(nèi)部傳播均受到相同地吸收和衰減作用。但兩種震源方式產(chǎn)生的震源信號，無論是信號地激發(fā)方式，還是信號的頻率，頻寬及振動(dòng)波形特征，都具有明顯的差異。

2)可控震源是通過與地面耦合良好地振動(dòng)平板向地下空間傳播掃描信號，這種地震信號成分已知，頻率、頻帶寬度等都是可以人為控制的。在野外采集過程中，可以根據(jù)測區(qū)的地震地質(zhì)條件，選擇最佳采集參數(shù)，提高地震資料的信噪比[7-8]。

3)可控震源采用連續(xù)掃描信號，波的能量及穿透能力明顯增強(qiáng)。與錘擊震源相比，可控震源連續(xù)振動(dòng)，并引入“相關(guān)性運(yùn)算”對掃描信號進(jìn)行處理，可以避免城市環(huán)境噪音的影響，消除隨機(jī)干擾。錘擊震源不同于可控震源，一般通過錘擊向地下空間傳播脈沖振動(dòng)信號，振動(dòng)延續(xù)時(shí)間很短，是一種瞬態(tài)的震源信號。

為對比分析可控震源在城市震探中的優(yōu)勢，在工區(qū)所在位置分別應(yīng)用錘擊震源和可控震源進(jìn)行地震勘探試驗(yàn)，單炮記錄如圖2所示，圖2(a)為錘擊震源單炮記錄，由于受到錘擊震源能量地限制，且水泥路面頻率較高，衰減較快，造成測線遠(yuǎn)端的信號能量過小[9]，尤其在城市環(huán)境下，車輛地行駛和工業(yè)設(shè)施的影響，加之檢波器與硬質(zhì)地面的耦合效果較差，信噪比過低，很難達(dá)到城市地震勘探的探查精度。圖2(b)為可控震源單炮記錄，能量大，一致性好。采集的信號受環(huán)境噪音影響較小，信噪比高，目的層及反射波同相軸清晰。

圖2 不同震源單炮記錄對比Fig.2 The comparison of single shot record of different source(a)錘擊震源；(b)可控震源

3 試驗(yàn)工作

本次城市斷裂構(gòu)造探查地震工作所在區(qū)域位于一系列NE走向的斷裂帶之上，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，褶皺少見且規(guī)模小。測區(qū)周邊地勢上總體由西北的山地逐漸向東南部的丘陵，濱海平原過渡，水系發(fā)達(dá)，全年降水豐富，存在常年地表徑流，地下水量較大，水位較淺，水文鉆孔揭露初見地下水位埋深為0.6 m，近似穩(wěn)定地下水位埋深為6.8 m。研究區(qū)內(nèi)地層發(fā)育殘缺，主要有泥盆系，侏羅系及第四系巖層，除西側(cè)、西南、西北部分地區(qū)出露侏羅系上統(tǒng)外，其余全被第四系全新統(tǒng)海相沉積層和第四系更新統(tǒng)沖洪積層覆蓋。地表上覆第四系巖土層厚度約為30 m～60 m，上部為含砂礫，粉砂土及亞粘土等第四系沖洪積土，波速較低，地震地質(zhì)條件一般。深部基巖為火成巖堅(jiān)硬巖組及部分變質(zhì)巖堅(jiān)硬巖組，波速較高，地震地質(zhì)條件較好。第四系巖土層與基巖的波阻抗差異較大，具備反射波勘探的物理?xiàng)l件。

現(xiàn)場探查時(shí)測線經(jīng)過多條硬質(zhì)路面，測線末端局部為積水路面，檢波器與地面耦合較差。傳統(tǒng)重錘振動(dòng)能量弱，城市環(huán)境下噪聲較大，無法達(dá)到探測精度。為了將可控震源更好地應(yīng)用到城市地區(qū)的地震勘探，在測區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行了從點(diǎn)到線的一系列試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

該區(qū)現(xiàn)場探測依據(jù)以往工程實(shí)例，保持震動(dòng)臺數(shù)2臺，震動(dòng)次數(shù)3次。通過對震源出力、掃描頻率、掃描長度、信號長度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行一系列對比試驗(yàn)(表1)，確定適合該區(qū)可控震源施工參數(shù)，從而獲得最佳采集效果。選取具有代表性的單炮記錄進(jìn)行對比分析，比較各個(gè)施工參數(shù)的效果。

3.2 采集參數(shù)對比分析

3.2.1 震源出力試驗(yàn)

保持掃描長度為10 s，掃描頻率線性升頻為10 Hz ～100 Hz，采樣間隔為0.5 ms，信號長度為1 000 ms，試驗(yàn)震源出力分別為20%(相當(dāng) 6 KN)、30%(相當(dāng) 8.8 KN)、40%(相當(dāng) 11.8 KN)時(shí)的效果(圖3)。由圖3分析可知，震源出力為20%與30%、40%的信噪比能量，前者略低于后者說明震源出力宜不低于30%。

3.2.2 掃描頻率試驗(yàn)

保持震源出力為40%，掃描長度為10 s，線性升頻改變，采樣間隔為0.5 ms，信號長度為1 000 ms，分別進(jìn)行掃描頻率10 Hz ～80 Hz、10 Hz ～100 Hz、10 Hz ～120 Hz試驗(yàn)(圖4)。從采集的信號來看，隨著頻率的增大，針對淺層的反射波越發(fā)明顯。圖5是不同掃描頻率試驗(yàn)頻譜分析圖，由圖5可以看出，分析頻寬和信噪比，三種掃描方式?jīng)]有明顯差別10 Hz～100 Hz掃描頻率下能量相對較強(qiáng)，分布均勻。綜合考慮勘探任務(wù)與淺層分辨率，選擇 10 Hz～100 Hz為本次試驗(yàn)研究的掃頻范圍。

3.2.3 掃描長度試驗(yàn)

保持震源出力為40%，掃描頻率線性升頻10 Hz ～100 Hz，采樣間隔為0.5 ms，信號長度為1 000 ms。分別試驗(yàn)掃描長度為 8 s、10 s、15 s的激發(fā)效果。圖6是不同掃描長度試驗(yàn)單炮記錄。從采集的信號來看，掃描長度10 s的信噪比和能量均好于掃描長度8 s和15 s，結(jié)果表明，掃描長度宜選擇10 s。

表1 試驗(yàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Test parameters

圖3 不同震源出力試驗(yàn)單炮記錄Fig.3 Record of single shot of different source output test(a)20%；(b)30%;(c)40%

圖4 不同掃描頻率試驗(yàn)單炮記錄Fig.4 Record of single shot of different scan frequency test(a)10 Hz～80 Hz；(b)10 Hz～100 Hz; (c)10 Hz～120 Hz

圖5 不同掃描頻率試驗(yàn)頻譜分析Fig.5 Record of spectrum analysis of different scan frequency test(a)10 Hz～80 Hz；(b)10 Hz～100 Hz; (c)10 Hz～120 Hz

圖6 不同掃描長度試驗(yàn)單炮記錄Fig.6 Record of single shot of different scan length test (a)8 s;(b)10 s;(c)15 s

3.2.4 信號長度試驗(yàn)

保持震源出力為40 %，掃描頻率線性升頻10 Hz～100 Hz，采樣間隔0.5 ms，分別試驗(yàn)信號長度為1 000 ms、1 500 ms、2 000 ms的激發(fā)效果。圖7是不同信號長度試驗(yàn)單炮記錄。對單炮記錄進(jìn)行分析，采樣時(shí)長越短，信號的信噪比越高。本次試驗(yàn)研究主要為淺層勘探，目標(biāo)反射層較淺，采樣長度不要求很長，說明采樣時(shí)間宜選擇1 000 ms。

以上試驗(yàn)結(jié)果表明：在該區(qū)地震地質(zhì)條件下，施工參數(shù)采用震源出力為40%、掃描長度為10 s、掃描頻率線性升頻為10 Hz～100 Hz、采樣間隔為0.5 ms以及信號長度為1 000 ms，可得到滿意的激發(fā)效果。

圖7 不同信號長度試驗(yàn)單炮記錄Fig.7 Record of single shot of different signal length test(a)1 000 ms ；(b)1 500 ms；(c)2 000 ms

4 城市地區(qū)應(yīng)用實(shí)例

4.1 數(shù)據(jù)采集

綜合考慮勘查區(qū)地質(zhì)概況及地震地質(zhì)條件，并總結(jié)分析上述試驗(yàn)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用 48道接收，道間距為2 m，單邊激發(fā)，炮間距為8 m 的觀測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集儀器使用美國SI儀器公司生產(chǎn)的S-Land全數(shù)字化地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)地震儀，震源采用WTC5060TZY/3噸型縱橫波兩用可控震源車，橫波激發(fā)，線性掃描，震源出力為40%，掃描長度為10 s，掃頻范圍為10 Hz～100 Hz，采樣間隔為0.5 ms，前置增益為36 dB，記錄長度為1s，數(shù)據(jù)記錄為SEGY格式。此外，檢波器采用日本OYO公司生產(chǎn)的28 Hz橫縱波兩用數(shù)字檢波器，與硬質(zhì)路面使用黃油耦合，盡量保證檢波器所接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

4.2 數(shù)據(jù)處理及解釋

可控震源地震勘探的數(shù)據(jù)處理與傳統(tǒng)錘擊震源存在明顯的差異，由于其引入“相關(guān)”的數(shù)學(xué)方法，抗隨機(jī)干擾的能力較強(qiáng)，但面波及聲波干擾不容忽視。本次城市背景下可控震源地震勘探共完成4條測線的探查工作，每條測線1 000 m，所采集到的地震記錄能量強(qiáng)，但表層信息反映較差。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，運(yùn)用地形靜校正，振幅補(bǔ)償、疊前多道預(yù)測反褶積、動(dòng)校正及速度分析等方法進(jìn)行消噪處理[10-11](圖8)，提高地震信號的信噪比，得到地震時(shí)間剖面，現(xiàn)選擇其中一條測線進(jìn)行地質(zhì)解釋，圖9為數(shù)據(jù)處理后獲得的測線反射地震剖面。

圖8 可控震源地震勘探數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.8 The flowchart of data processing that seismic prospecting with vibrator

圖9 可控震源地震解釋剖面及測區(qū)電阻率剖面對比圖(300 m～800 m)Fig.9 The comparison of seismic interpretation section of vibrator and resistivity profile of exploration area(300 m～800 m)(a)可控震源地震解釋剖面圖;(b)測區(qū)電阻率剖面圖

通過對比地震反射波組，第四系巖土層與基巖反射同相軸較強(qiáng)，連續(xù)性好，在400 ms左右測線全區(qū)存在比較連續(xù)的反射同相軸，解釋為巖性分界面。0 ms～400 ms范圍內(nèi)反射同相軸零亂，幾乎沒有可供解釋的反射波，主要為第四系松散層，表層信息反映較差。測線中部160 m，540 m，830 m處，同相軸錯(cuò)斷，圈定3處斷層依次命名為F1、F2、F3，斷層影響帶寬度大于20 m，傾角大于70°。取綜合橫波速度300 m/s～400 m/s換算基巖面埋深度為55 m～60 m。測區(qū)范圍內(nèi)300 m～800 m處補(bǔ)測電法勘探，反演所得電阻率剖面圖如圖10所示，經(jīng)過對比分析，基巖面及斷層位置與地震勘探所得結(jié)果較為一致，取得了良好的效果。

5 結(jié)論

1)城市地區(qū)淺層地震勘探地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)錘擊震源能量弱、衰減快、檢波器耦合較差，受環(huán)境噪音影響較大，地震信號信噪比低。利用可控震源激發(fā)，對比分析各種試驗(yàn)參數(shù)下單炮記錄及振幅頻譜，從能量、信噪比、頻率等方面對試驗(yàn)資料進(jìn)行解釋，確定震源出力、掃描頻率、掃描時(shí)長、信號長度等最佳施工參數(shù)，提高了地震時(shí)間剖面的分辨率和探查精度，取得了良好的探查應(yīng)用效果。

2)通過分析一系列由點(diǎn)到線的試驗(yàn)及工程實(shí)例，充分證明可控震源在城市地區(qū)激發(fā)效果良好，取得了高質(zhì)量的地震資料，彌補(bǔ)了炸藥和錘擊震源的不足，可以快速、有效的探查地下斷裂構(gòu)造的埋深及規(guī)模，第四系覆蓋層厚度變化，地層結(jié)構(gòu)等地質(zhì)要素。為今后在地震地質(zhì)條件復(fù)雜的城市地區(qū)進(jìn)行地震勘探工作提供了借鑒。

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Experimental study on vibroseis seismic exploration in urban underground fault structure

DING Meiqing， HU Zean， LI Jianning， ZHOU Huipeng， HU Xiongwu

(School of Earth and Environment, Anhui University of science and Technology, Huainan 232001, China)

In the process of urban underground space development, the fault structure is one of the important factors that cause the geological disasters. It is of great significance to effectively detect the location, size and depth of the fault. Seismic reflection wave method has been gradually applied to the exploration of abnormal geological structure of urban underground space. But the urban surface seismic geological conditions are complex, high noise and poor detector coupling in hard pavement. Traditional hammer energy sources are weak, fast decay, low signal to noise ratio, and it is difficult to meet the requirements of the specification. Taking the exploration of underground structure in a city as an example, the vibrator was used to carry out excitation, analysis was conducted for test data from energy, SNR and frequency to determine the operation parameters. It can enhance the resolution and exploration precision of seismic time section, obtaining more satisfied exploration results.

fault structure; urban seismic exploration; vibrator; operation parameters; exploration results

2016-08-11 改回日期：2016-09-26

安徽省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目(201510361116)

丁美青(1993-)，男，碩士，研究方向?yàn)楣こ膛c環(huán)境地球物理勘探，E-mail：DMQ110750113@163.com。

1001-1749(2017)04-0565-08

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.18