地表淺層地震法探測技術(shù)研究

關(guān)仲波

（中國石油集團東方地球物理公司大慶物探一公司，黑龍江大慶163357）

隨著我國城鎮(zhèn)化進程不斷推進，城市對地下空間的利用需求持續(xù)升高，而城市地表淺層地質(zhì)構(gòu)造的勘測成為地下空間利用的重要環(huán)節(jié)。城市內(nèi)的自然地質(zhì)環(huán)境對地質(zhì)探測方法提出一定的要求，而且各種復(fù)雜的人為因素也加大了地質(zhì)探測技術(shù)的難度。由于城市內(nèi)存在各種類型的電磁波，同時建筑物內(nèi)包含錯綜復(fù)雜的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，電磁探測技術(shù)、電法探測技術(shù)等傳統(tǒng)的地質(zhì)探測方法均會受到干擾而無法使用。淺層地震探測技術(shù)可重構(gòu)出地層下的地質(zhì)構(gòu)造圖像，獲取巖土物理參數(shù)和相關(guān)的地震波參數(shù)，不需要鉆孔破壞地表結(jié)構(gòu)，同時具備較高的探測效率和精度，適用于環(huán)境復(fù)雜的城市地區(qū)[1-2]。

1 淺層地震基本原理

淺層地震探測技術(shù)依靠人為干預(yù)產(chǎn)生地震波并分析其在地下儲層中的傳播過程，依照地震波頻率、相位、振幅等特征參數(shù)的變化特點來計算預(yù)測地表淺層的具體結(jié)構(gòu)，同時可對地下巖芯、土質(zhì)的相關(guān)參數(shù)進行測量確定。

淺層地震探測技術(shù)通過人為方式在地表的某一個位置激勵主動產(chǎn)生地震波，根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造，兩種不同構(gòu)造的分界面存在阻抗差異，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ练纸缑鏁r被反射回地震波激勵點并產(chǎn)生振動。通過測量地震波在地層中的傳播速度、發(fā)射反射所經(jīng)歷的時間和各個探測點的相對位置可計算得到分界面的地層深度、傾斜角度等具體數(shù)據(jù)。假設(shè)分界面的地層深度為h，地震反射波傳播所經(jīng)歷的時間如式（1）所示。

式中：tf——縱波反射傳播所經(jīng)歷的時間，s；

v0——地震波在地層中的傳播速度，m/s；

x——震源和探測點之間的距離，m；

h——反射界面在地層中的深度，m；

t0——地震波在垂直方向上反射所經(jīng)歷的時間，s。

假設(shè)分界面的傾斜角度為θ，則地震反射波傳播所經(jīng)歷的時間如式（2）所示。

2 淺層地震探測技術(shù)研究現(xiàn)狀

淺層地震探測技術(shù)集中應(yīng)用在利用地表淺層地下空間的城市區(qū)域，探測數(shù)據(jù)可作為城市的土地發(fā)展規(guī)劃、建筑施工的基礎(chǔ)依據(jù)。根據(jù)地震波的種類，淺層地震探測技術(shù)主要分為面波、S波和P波等類型。淺層地震探測技術(shù)剛開始發(fā)展時通常使用P波進行測量計算，較少使用S波進行勘探。由于面波可較好地規(guī)避P波所存在的技術(shù)缺陷，在勘探領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。隨著地震拖纜技術(shù)的出現(xiàn)，S波地震探測技術(shù)開始具備較強的實用性，在現(xiàn)場實踐中才出現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

在地表深層的含水區(qū)域通常采用P波反射方式進行地下結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)探測與圖像重構(gòu)，而對于地層中地質(zhì)構(gòu)造特征通常采用P波折射方式揭示。地表淺層地震探測通常采用P波的折射方式，P波主要在水平方向上傳輸移動，但是在地表淺層巖土結(jié)構(gòu)中水平方向上地層特性不斷變化，導(dǎo)致P波在淺層地質(zhì)構(gòu)造探測過程中會出現(xiàn)成像分辨率過低的現(xiàn)象。為了解決此問題，專家學(xué)者通過全波形反演、約束算法等技術(shù)對P波的速度模型進行改進，但未達到預(yù)期效果。

由于P波存在上述技術(shù)缺陷，20世紀八九十年代利用反向推演瑞雷波的方法計算S波在地表淺層的傳播速度，通過幾十年的深入研究與技術(shù)更新，逐漸發(fā)展變成地表淺層構(gòu)造探測的基礎(chǔ)技術(shù)方法，并且存在較大的發(fā)展空間。在實際測量中，通過獲得瑞雷波的相關(guān)參數(shù)，得到其頻散曲線，而曲線的特征值不但能夠反映S波在地表淺層的傳播速度數(shù)據(jù)，而且面波法獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠作為地層圖像重構(gòu)和結(jié)構(gòu)特征表述的依據(jù)，對于技術(shù)人員全面掌握地質(zhì)構(gòu)造信息具有重要幫助。對于傳統(tǒng)的地震探測技術(shù)，一般盡量減弱外部環(huán)境所產(chǎn)生的干擾波，但是對于新型地震探測技術(shù)，對干擾波進行收集并提取其中的有效信息，將這些數(shù)據(jù)作為探測的輔助信息。其中，將城市內(nèi)產(chǎn)生的噪聲作為激勵信號發(fā)出地震波而獲取相關(guān)信息成為目前研究的一個發(fā)展方向。

在過去的幾十年中，專家學(xué)者對S波的研究較為分散，沒有形成整體的理論體系，且研究成果沒有達到較好的預(yù)期效果[3-4]。S波之所以沒有得到廣泛應(yīng)用，主要原因是S波獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量無法得到有效的控制，技術(shù)人員也沒有掌握探測經(jīng)驗。與P波相比，S波無法達到較深的深度，但是其在地表淺層巖土結(jié)構(gòu)中的傳播速度較低，有助于提高速度圖像的成像分辨率，可探測地表淺層構(gòu)造的具體細節(jié)。近些年隨著地震拖纜技術(shù)的應(yīng)用，S波探測技術(shù)也隨之開始逐漸發(fā)展，得到越來越多學(xué)者的關(guān)注，在現(xiàn)場實踐中獲得更廣泛的應(yīng)用。

3 淺層地震探測技術(shù)最新進展

在淺層地震探測過程中，通過探測設(shè)備可獲取大量的測試數(shù)據(jù)，然后通過相關(guān)的分析系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進行整合處理，最后根據(jù)現(xiàn)場的實際情況對數(shù)據(jù)信息進行解釋。近些年來，淺層地震探測技術(shù)的研究進展主要體現(xiàn)在探測裝置、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)解釋等方面[5-8]。

3.1 探測裝置

在最近幾年，陸地拖纜技術(shù)逐步發(fā)展成熟，并有效的改善了S波探測的局限性，促使S波在實際探測中的應(yīng)用開始變得越來越廣泛[9]。在20世紀70年代，學(xué)者就開始對陸地拖纜技術(shù)進行研究應(yīng)用，但是現(xiàn)場應(yīng)用并未取得良好效果，導(dǎo)致研究開始停滯。在20世紀90年代，城市建設(shè)的進程不斷加快，道路多采用瀝青或者水泥材質(zhì)進行鋪設(shè)。傳統(tǒng)的探測技術(shù)采用發(fā)射接收勒夫波或者P波確定地質(zhì)構(gòu)造的原理，瀝青、水泥這種硬質(zhì)路面會對這兩種波的傳輸造成阻礙或削減，而經(jīng)過陸地拖纜改善后的探測技術(shù)可有效避免此問題，地震波不會受到硬質(zhì)路面的影響，對于城市探測具有良好的適用性。從1995年開始，Inazaki公司共研發(fā)了5種不同種類的陸地拖纜裝置，美國企業(yè)Bay Geophysical對其原理及特點進行分析，并提出了裝置缺陷的解決方案。同時，LIAG機構(gòu)、Ramboll公司、PFM公司、Montana公司、COWI公司等均對陸地拖纜設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)進行了研究設(shè)計，并完成了現(xiàn)場應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳統(tǒng)的地震探測技術(shù)中需要在地面鋪設(shè)大量電纜傳輸探測的地震波數(shù)據(jù)，不僅增大了探測成本，而且耗費人力物力，對地面交通等產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)節(jié)省了電纜鋪設(shè)所產(chǎn)生的一次性投資，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和便捷性。GEO SPACE公司研發(fā)的GSX數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)占據(jù)了一定的市場份額，受到廣大用戶的一致認可。Wireless Seismic公司研發(fā)的RT System 2數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)更新了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，在根本上實現(xiàn)了技術(shù)的重大突破進展，增加了數(shù)據(jù)傳輸通道的數(shù)量。

在傳統(tǒng)探測技術(shù)中，地震波信號是通過線性掃描的方法進行數(shù)據(jù)采集的，而在數(shù)據(jù)采集過程中掃描頻率與環(huán)境建造物的固有共振頻率相近，使建造物發(fā)生大幅振動而被損壞。為解決共振問題，專家學(xué)者對偽隨機掃描進行改進優(yōu)化，成功降低了共振發(fā)生的概率，在一定程度上避免了共振所造成的建造物損壞。

為了提高數(shù)據(jù)采集效率，解決地震數(shù)據(jù)龐大難于傳輸?shù)膯栴}，壓縮傳感技術(shù)在地震數(shù)據(jù)采集傳輸方面受到相關(guān)人員的關(guān)注，應(yīng)用越來越廣泛。壓縮傳感技術(shù)在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域取得了革命性的突破，與傳統(tǒng)采集方法不同，它基于非適應(yīng)線性投影方法避免原始數(shù)據(jù)被破壞，以極低的頻率進行數(shù)據(jù)采集并通過更準確的算法重構(gòu)得到原始信號。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

外部環(huán)境的影響因素錯綜復(fù)雜，導(dǎo)致地震探測存在諸多的不確定性，同時對地震數(shù)據(jù)處理計算會得到不同的分析結(jié)果。為了降低不確定因素對地質(zhì)重構(gòu)結(jié)果地影響，采用地震探測數(shù)據(jù)與其他物探數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)處理[10]。在淺層地震探測所采集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，增加航空探測數(shù)據(jù)對原有數(shù)據(jù)進行補充完善，既引入了航空探測數(shù)據(jù)包含區(qū)域廣泛的優(yōu)勢，又可解決淺層地震探測不確定性大的問題。

4 結(jié)論

基于淺層地震探測技術(shù)的基本原理和研究現(xiàn)狀，分析淺層探測技術(shù)所存在的問題和發(fā)展方向，并總結(jié)淺層地震探測的最新研究進展。得到以下結(jié)論：

（1）淺層地震探測技術(shù)通過人為方式在地表的某一個位置激勵主動產(chǎn)生地震波，根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造，兩種不同構(gòu)造的分界面存在阻抗差異，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ练纸缑鏁r被反射回地震波激勵點并產(chǎn)生振動。通過測量地震波在地層中的相關(guān)參數(shù)可計算得到地下構(gòu)造。

（2）淺層地震探測技術(shù)通常使用P波勘探，面波可規(guī)避P波缺陷應(yīng)用越來越廣泛。地震拖纜技術(shù)促使S波具備較強實用性。

（3）探測裝置方面，傳統(tǒng)的探測技術(shù)采用發(fā)射接收勒夫波或者P波確定地質(zhì)構(gòu)造的原理，瀝青、水泥這種硬質(zhì)路面會對這兩種波的傳輸造成阻礙或削減，而經(jīng)過陸地拖纜改善后的探測技術(shù)可有效避免此問題，地震波不會受到硬質(zhì)路面的影響。

（4）數(shù)據(jù)采集方面，數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)節(jié)省了電纜鋪設(shè)所產(chǎn)生的一次性投資，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和便捷性。偽隨機掃描可解決傳統(tǒng)探測技術(shù)中線性掃描所存在的共振問題，避免建造物發(fā)生大幅振動而被損壞。為了提高數(shù)據(jù)采集效率，解決地震數(shù)據(jù)龐大難于傳輸?shù)膯栴}，壓縮傳感技術(shù)在地震數(shù)據(jù)采集傳輸方面受到相關(guān)人員的關(guān)注，應(yīng)用越來越廣泛。

（5）數(shù)據(jù)處理方面，為了降低不確定因素對地質(zhì)重構(gòu)結(jié)果的影響，采用地震探測數(shù)據(jù)與其他物探數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)處理。