淺層地震反射波法在水底隧道勘察中的應(yīng)用

沈磊

摘要：淺層地震反射波法是一種常用的勘探方法，它的應(yīng)用范圍非常廣，如地質(zhì)勘查、滑坡勘察、墩身檢測(cè)等。采用地震反射波法進(jìn)行水底隧道的勘探漸多，說(shuō)明該方法水上勘探的有效性。筆者應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)結(jié)合廈門(mén)灣海底隧道水上地震的實(shí)際操作對(duì)發(fā)射波法在水底隧道的地質(zhì)勘查進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：淺層地震反射波法；水底隧道勘察；水上勘探

1.前言

淺層地震反射波法是一種常用的勘探方法，它的應(yīng)用范圍非常廣，如地質(zhì)勘查、滑坡勘查、墩身檢測(cè)等。在陸地上淺層地震反射波法的應(yīng)用技術(shù)已日趨完善，可以較好地解決地下幾十米以?xún)?nèi)的工程地質(zhì)問(wèn)題，提供直觀(guān)連續(xù)的地質(zhì)剖面圖，較明顯的顯示地質(zhì)結(jié)構(gòu)，確定基巖上覆蓋層的厚度及起伏情況。采用地震反射波法進(jìn)行水底隧道的勘探漸多，說(shuō)明該方法水上勘探的有效性。筆者應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)結(jié)合廈門(mén)灣海底隧道水上地震的實(shí)際操作對(duì)發(fā)射波法在水底隧道的地質(zhì)勘查進(jìn)行了研究。

2.反射波法的特點(diǎn)

地震波反射波法研究的是地震波在不同彈性介質(zhì)分界面上按一定規(guī)律產(chǎn)生反射的原理。反射波法不受地層速度逆轉(zhuǎn)的影響，受施工場(chǎng)地影響也較小，適應(yīng)性較強(qiáng)，獲得的地質(zhì)信息比較豐富，時(shí)間剖面能夠直觀(guān)的反應(yīng)地下的地質(zhì)情況。淺層反射波法在松散沉積地層中，對(duì)地層層序的劃分有很好的效果，對(duì)地基勘察和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)跡象的調(diào)查都具有明顯的成效。在我國(guó)大型壩址勘測(cè)、海底隧道的勘查、水文地質(zhì)調(diào)查以及城市活動(dòng)斷層的調(diào)查中都有廣泛的應(yīng)用。

3.應(yīng)用實(shí)例

廈門(mén)灣海底隧道是貫通廈門(mén)本島和漳州開(kāi)發(fā)區(qū)廈漳泉城際軌道交通3號(hào)線(xiàn)的海上通道，于漳州開(kāi)發(fā)區(qū)南炮臺(tái)公園附近進(jìn)入廈門(mén)灣海域，下穿廈門(mén)港10萬(wàn)噸級(jí)航道及廈門(mén)—鼓浪嶼旅游航道后于演武大橋接環(huán)市南路處進(jìn)入廈門(mén)島，設(shè)計(jì)為雙線(xiàn)雙洞隧道，左、右線(xiàn)間距約30m。為查明海底隧道段地層、構(gòu)造及不良地質(zhì)體發(fā)育情況，采用地震波發(fā)射法對(duì)海底隧道進(jìn)行地質(zhì)勘查。

3.1場(chǎng)地地質(zhì)概況與地球物理?xiàng)l件

區(qū)內(nèi)覆蓋層由第四系全新統(tǒng)長(zhǎng)樂(lè)組海積相（Q₄^m）與殘積土構(gòu)成，前者為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、礫砂，后者為花崗巖全風(fēng)化產(chǎn)物。基巖主要為早白堊世瑪坑超單元梅山單元（K₁M）及晚侏羅世永興超單元瓜洋單元（J₃G）花崗巖。

海水與淤泥、淤泥與礫砂、全、強(qiáng)、弱風(fēng)化基巖之間縱波波阻抗存在明顯差異，斷裂構(gòu)造引起地層的垂向錯(cuò)動(dòng)或巖體破碎，會(huì)在地震時(shí)間剖面圖出現(xiàn)反射波組同相軸的錯(cuò)動(dòng)、不連續(xù)或能量減弱、繞射波出現(xiàn)等異常特征。因此本區(qū)具有開(kāi)展地震反射法的地球物理?xiàng)l件。

3.2水上地震反射法工作方法

水上生產(chǎn)性數(shù)據(jù)采集工作開(kāi)始前，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括震源能量、激發(fā)間隔時(shí)間、濾波通帶、采樣間隔、記錄長(zhǎng)度、偏移距、炮間隔、航速等。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果選擇最佳的采集參數(shù)。

水上地震勘探震源采用英國(guó)Applied Acousitics Engi-neenng公司生產(chǎn)的CSP-D2400J可調(diào)電磁脈沖震源，拖拉式連續(xù)勻速航行和定時(shí)激發(fā)方式施工，接收電纜牽掛在船尾部向后延伸。淺層地震采集時(shí)，物探測(cè)線(xiàn)采用GPS導(dǎo)航定位，探測(cè)船只沿布設(shè)測(cè)線(xiàn)呈勻速航行。為保證完全覆蓋設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)，提前上線(xiàn)，推遲下線(xiàn)。

工作期間開(kāi)啟淺層地震儀的噪聲監(jiān)測(cè)模式，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)漂浮電纜。保證電纜成直線(xiàn)或近似直線(xiàn)。在發(fā)現(xiàn)干擾較大、航跡偏離設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)過(guò)大、船姿不正、漂浮電纜偏離測(cè)線(xiàn)過(guò)大時(shí)，停止采集數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行重測(cè)。

4.資料處理與解釋

4.1資料的處理方法

資料的處理主要流程如下：

預(yù)處理→CMP道集選排→疊前濾波→干擾切除→道間平衡一預(yù)測(cè)反褶積→速度分析→高精度τ-P變換→動(dòng)校正→靜校正→保幅疊加→疊后偏移→疊后濾波→水域CDP坐標(biāo)設(shè)置和潮位改正→水域CDP剖面樁號(hào)投影→成果時(shí)間剖面輸出。

上述部分步驟可不按順序或重復(fù)使用，直至輸出合格的結(jié)果為止。

其中主要節(jié)點(diǎn)的功能及參數(shù)如下：

①預(yù)處理為不正常道充零；②抽道集則按多次覆蓋觀(guān)測(cè)系統(tǒng)抽取其中心點(diǎn)道集；③疊前濾波主要為頻率帶通濾波，濾波的截止頻率由原始記錄中的頻譜分析結(jié)果決定，低截頻率范圍為40Hz～100Hz，高截頻率為250Hz～500Hz。④干擾切除主要切除電纜波干擾及直達(dá)波干擾；⑤道間平衡將各道的總能量調(diào)整為同一水平；⑥預(yù)測(cè)反褶積主要用于壓制全程多次波；⑦速度分析主要應(yīng)用超級(jí)速度譜，速度分析區(qū)間為1000m/s～4000m/s（步長(zhǎng)25m/s），從速度譜中根據(jù)疊加能量最強(qiáng)的原則拾取疊加速度，最終采用二維速度模型進(jìn)行動(dòng)校；⑧高精度τ-P變換主要用于壓制屈微多次波及層間多次波。由于高精度τ-P變換的應(yīng)用，有效壓制了由于水深較淺而發(fā)育的多次波，消除了多次波對(duì)分層解釋的影響。

動(dòng)校正應(yīng)用速度分析確定的二維速度模型對(duì)CMP道集進(jìn)行動(dòng)校正。

疊后濾波主要濾除動(dòng)校時(shí)拉伸畸變的波組，一般為低切濾波，截止頻率比疊前濾波的低切頻率稍低；疊后偏移采用二維F-X域有限差分法偏移。偏移速度在疊加速度的基礎(chǔ)上確定，最終選擇疊加速度的98%作為本次處理的偏移速度，局部地方稍作調(diào)整，以適應(yīng)局部的構(gòu)造和地質(zhì)情況變化。

水域CDP坐標(biāo)設(shè)置和潮位改正為根據(jù)導(dǎo)航記錄和潮位觀(guān)測(cè)資料設(shè)置每個(gè)CDP的坐標(biāo)。并進(jìn)行漂浮電纜沉放深度、震源沉放深度、潮位改正，將測(cè)點(diǎn)校正到位于國(guó)家2000高程系統(tǒng)的0m高程。改正波速為海水波速1500m/s；水域CDP剖面樁號(hào)投影為根據(jù)水域淺層地震的特點(diǎn)，按每個(gè)CDP的實(shí)際位置投影到設(shè)計(jì)測(cè)線(xiàn)上，但又保持其準(zhǔn)確位置。

4.2資料分析與解釋

結(jié)合鉆孔資料和波速測(cè)試資料，在時(shí)間剖面上找出具有較強(qiáng)振幅、同相軸連續(xù)性較好、可在整個(gè)場(chǎng)區(qū)內(nèi)追蹤的目的反射層作為標(biāo)準(zhǔn)層，對(duì)全區(qū)各方法時(shí)間剖面進(jìn)行解釋、對(duì)比。

在本次工程物探獲得的地震時(shí)間剖面上分析識(shí)別出4個(gè)地震波強(qiáng)反射波組：T1、T2、T3和T4（圖1）。解釋過(guò)程對(duì)全部交點(diǎn)進(jìn)行閉合，閉合差控制在t₀時(shí)間的5%以?xún)?nèi)。

T1反射波組以水平層狀連續(xù)反射為主，推測(cè)T1面以上為水；T2反射波組以水平層狀連續(xù)反射為主，推測(cè)T1～T2時(shí)間界面之間為淤泥、淤泥質(zhì)土等，縱波波速一般在1400m/s～1700m/s；T3推測(cè)為全強(qiáng)風(fēng)化基巖頂界，112～T3時(shí)間界面之間為礫砂等，縱波波速一般在1700m/s～2000m/s；T4部分反射能力強(qiáng)、連續(xù)性較好、起伏強(qiáng)烈，部分測(cè)段存在較多繞射波、回轉(zhuǎn)波等，推測(cè)T3～T4時(shí)間界面之間為全、強(qiáng)風(fēng)化基巖等，縱波波速一般在2200m/s～2600m/s；T4波組之下推斷為弱～微風(fēng)化基巖層，縱波速度大于3000m/s。

斷層解釋主要識(shí)別標(biāo)志：

（1）地層反射波組錯(cuò)斷；

（2）地層反射波組明顯突變、繞射波發(fā)育；

（3）地震反射波組同相軸扭曲；

（4）時(shí)間剖面上出現(xiàn)波形雜亂或能量缺失。

4.3資料的綜合分析與地質(zhì)解釋

在本次物理勘探獲得的多道地震時(shí)間剖面上分析識(shí)別出4個(gè)地震波強(qiáng)反射界面，并由此將地層劃分為4個(gè)地震層位各分層與地層之間對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：①淤泥層（T1、T2之間）；②礫砂層（T2、T3之間）；③全強(qiáng)風(fēng)化基巖層（T3、T4之間）；④弱微風(fēng)化層（T4以下）。

（1）本次水上地震勘察發(fā)現(xiàn)了1條斷裂構(gòu)造，斷層附近基巖巖體較為破碎。

（2）F1斷層上盤(pán)有多個(gè)風(fēng)化凹槽，凹槽處基巖風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體裂隙發(fā)育。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水上淺層地震反射波法勘探，比較準(zhǔn)確地查明了工區(qū)的水底地形、海底地層層位、隱伏斷層以及斷層影響范圍等，為工程施工設(shè)計(jì)提供了可靠的資料。實(shí)踐表明，淺層地震反射波法在水底隧道的勘查中具有良好的效果。