基于人工震源的淺層地震勘探研究

徐昊 楊煜坤 宋炯 任堃 吳翰 張震 鄭冀川

摘?要：地震勘探是一種重要的地球物理勘探方法，本文介紹反射波法地震勘探的基本原理和技術(shù)要點(diǎn)，并以天津武清地區(qū)的淺層地震勘探為例，重點(diǎn)探究了淺層反射波法地震勘探的原理及其在工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用效果。通過試驗(yàn)研究結(jié)果表明，其不僅可以充分發(fā)揮淺層地震反射波法的優(yōu)勢(shì)，在工程地質(zhì)勘察中具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：人工震源；反射波法；淺層地震；試驗(yàn)研究

1?概述

地震勘探是基于地下介質(zhì)彈性和密度的差異，利用人工激發(fā)地震波并通過觀測(cè)和分析其在地球內(nèi)部的傳播規(guī)律，研究推斷地下地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性特征，從而達(dá)到勘探目的［1］。地震波是由人工震源激發(fā)的彈性振動(dòng)在地球介質(zhì)內(nèi)部及其表面?zhèn)鞑サ臄_動(dòng)，根據(jù)傳播位置地震波主要分為體波和面波兩大類，體波可分為質(zhì)點(diǎn)震動(dòng)方向與波傳播方向一致的縱波和質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波傳播方向垂直的橫波，因?yàn)榭v波具有在激發(fā)與接收方面相對(duì)容易的優(yōu)勢(shì)，所以目前地震勘探主要是以縱波勘探為主。根據(jù)波的傳播規(guī)律，地震勘探分為反射波法、折射波法、面波法和地震測(cè)井方法?？v波反射波法（以下簡(jiǎn)稱反射波法）是地震勘探工作中運(yùn)用最為廣泛的一種勘探方法，可用于陸地和海洋［2］。

2?方法原理

反射波法地震勘探是將反射縱波作為有效波來開展探測(cè)工作，根據(jù)依據(jù)地下介質(zhì)在物性差異界面上地震波的動(dòng)力學(xué)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，探測(cè)地層或者基巖的埋深及其速度結(jié)構(gòu)，具有分辨率高、探測(cè)結(jié)果可靠等特點(diǎn)［3］。

人工激發(fā)地震波在地下傳播的過程中，遇到不同波阻抗（地下介質(zhì)速度和密度的乘積）地下介質(zhì)的分界面時(shí)，通常會(huì)分成兩部分，一部分繼續(xù)向下傳播稱為透射波，一部分向上返回到第一種介質(zhì)中稱為反射波，利用地震儀器設(shè)備對(duì)返回地面的反射地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。在野外工作時(shí)，每次激發(fā)只能在某條測(cè)線的地段上接收，將一次激發(fā)多道檢波器接收的觀測(cè)地段稱為排列。為了能得到整條測(cè)線上連續(xù)和完整的地下反射資料，必須按一定的規(guī)則來部署激發(fā)點(diǎn)與接收排列和進(jìn)行觀測(cè)，并且為壓制多次反射波之類的特殊干擾波，有規(guī)律地同時(shí)移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)與接收排列，建立多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)。為避開激發(fā)點(diǎn)附近面波和聲波的干擾，在實(shí)現(xiàn)此過程主要應(yīng)用相同的偏移距激發(fā)和接收地震波，以完成測(cè)點(diǎn)波形的記錄工作，在這種方法下接收到的有效波往往具備良好的信噪比和分辨率［4］。反射波在地下的傳播過程中，其傳播途徑和波形等隨著地下介質(zhì)不同的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等發(fā)生變化，在這個(gè)過程中主要收集地震波的反射速度，以此來獲取地層結(jié)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，此外在明確反射波頻率和速度等基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地層和巖石性質(zhì)的判斷和推測(cè)，其中主要包含地質(zhì)體沿不同方向變化的具體情況，以此來實(shí)現(xiàn)地質(zhì)勘探的目的［5］［6］。

3?試驗(yàn)研究

3.1?試驗(yàn)區(qū)概況

3.1.1?試驗(yàn)區(qū)位置

本次試驗(yàn)區(qū)域?yàn)樘旖蚴形淝鍏^(qū)與廊坊市廣陽區(qū)交界處（圖1），地處華北平原的北東部和海河流域下游，為下沉運(yùn)動(dòng)和河流的沖積物的填充，形成了微度的起伏的沖積平原。地面平緩而傾斜，海拔的高差不大，研究區(qū)所在農(nóng)田內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)第四系覆蓋較厚，未見基巖出露。

3.1.2?試驗(yàn)區(qū)地球物理特征

地下介質(zhì)有一定厚度的地層和相鄰地層形成明顯的波阻抗差異，是進(jìn)行淺層地震勘探的前提條件。第四紀(jì)覆蓋層、礫石層與基巖層之間的波阻抗和波速存在較大差異，且各層都具有一定的厚度，可以形成反射界面。當(dāng)疏松的覆蓋層富含水時(shí)縱波（P波）波速明顯增加，潛水面是一個(gè)明顯的波阻抗界面，這些地質(zhì)條件都為地震勘探提供了良好的物理?xiàng)l件。

（1）低速帶。研究區(qū)內(nèi)的低速帶主要是第四系沉積物，表層主要為土壤層，從前期資料來看，第四系沉積物很厚，土壤層的壓實(shí)程度一般。

（2）含水層的位置。研究區(qū)未進(jìn)行鉆探，具體含水層的位置未知。研究區(qū)一般為基本農(nóng)田，降水豐富，含水層的位置較淺。

（3）淺層地質(zhì)剖面的均勻性。從區(qū)域地質(zhì)概況來看，第四系埋深較厚，區(qū)內(nèi)淺層地質(zhì)剖面較為均勻。

3.2?地震采集儀器設(shè)備

本次陸地反射法地震勘探試驗(yàn)使用的是美國Geode地震儀。此設(shè)備是目前同領(lǐng)域探測(cè)設(shè)備重量最小、最靈活和性價(jià)比最高的設(shè)備，適于野外作業(yè)。該采集系統(tǒng)包括Geode采集單元、數(shù)傳電纜和模擬電纜，儀器主機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見下表。

此次開展淺層反射波地震勘探試驗(yàn)，我們采用自然頻率比較高的100Hz組合檢波器接收。目前，陸上地震勘探最常用的是震源和炸藥源。在淺層地震勘探中，除炸藥源和非炸藥源外，更常用的是落重震源和人工錘擊震源。由于附近人口密度較大，從環(huán)保、安全和經(jīng)濟(jì)效益的角度考慮，選用錘擊震源。

3.3?試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

3.3.1?一致性測(cè)試

一致性是指所有地震道具有相同的特征，從而可以記錄多個(gè)道，以免由于地震道的一致性不同而導(dǎo)致錯(cuò)誤的解釋結(jié)論。一致性測(cè)試是檢查地震道一致性的生產(chǎn)準(zhǔn)備。此次試驗(yàn)檢查地震道一致性的方法是在地形良好的情況下，將檢波器布設(shè)為一個(gè)圓形，且使其與地面耦合良好。然后圓心位置利用人工錘擊震源激發(fā)地震波，記錄每個(gè)通道接收到的振動(dòng)應(yīng)具有相同的相位、幅度和波形。

本次試驗(yàn)的一致性試驗(yàn)中原始地震記錄如圖2所示。通過試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各類設(shè)備的性能指標(biāo)符合生產(chǎn)和試驗(yàn)規(guī)范要求。

3.3.2?觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)

本次試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)采用96道排列接收，道間距2m，單邊放炮，炮間距6m。人工錘擊震源，同一炮點(diǎn)人工錘擊15次，為避免工業(yè)電等其他干擾，將排列布置在遠(yuǎn)離高壓電線的地方。

3.3.3?地震剖面數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

基于人工錘擊震源開展地震數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，在觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)激發(fā)點(diǎn)位置，利用錘擊進(jìn)行地震波激發(fā)采集地震記錄數(shù)據(jù)。

3.4?反射波資料處理

本次資料處理內(nèi)容主要包括：定義觀測(cè)系統(tǒng)、增益控制、道編輯、濾波、反褶積、野外靜校正、速度分析、動(dòng)校正、剩余靜校正、疊加、時(shí)深轉(zhuǎn)換、疊后偏移等（圖3）。

3.5?試驗(yàn)結(jié)果分析

3.5.1?地震剖面

本次試驗(yàn)探測(cè)結(jié)果如圖4所示，錘擊震源激發(fā)效果良好，具有較強(qiáng)的穿透性，在600ms時(shí)候，可以看到明顯的反射波連續(xù)同相軸。因此，淺部區(qū)域獲得的時(shí)間剖面使用人工錘擊震源激發(fā)的能量最適宜，反射波連續(xù)性較好且能量較強(qiáng)。

3.5.2?有效波

一個(gè)水平界面反射波的同相軸呈以時(shí)間軸對(duì)稱的雙曲線，直達(dá)波的同相軸是過原點(diǎn)的直線，折射波的同相軸是截距不為零的直線。傾斜界面處反射波的時(shí)距曲線是沿最小點(diǎn)向上傾角方向的雙曲線偏移。從彎曲界面反射的波的時(shí)距曲線可能有一個(gè)回路，呈“蝴蝶結(jié)”的幾何形態(tài)，對(duì)應(yīng)的反射波稱為回轉(zhuǎn)波。水平多層介質(zhì)中反射波的時(shí)距曲線近似為雙曲線。線性連續(xù)介質(zhì)中，波的傳播路徑為圓弧叫做回折波，回折波時(shí)距曲線多呈現(xiàn)一條曲線，多個(gè)水平層中折射波的時(shí)間距離曲線多為折線，傾斜界面折射波時(shí)距曲線為曲線。

繞射波時(shí)距曲線總是與同一界面反射波時(shí)距曲線相切，呈雙曲線。發(fā)散波的下部是一個(gè)背斜型界面，如同凸面鏡一樣，斷面波往往與下降盤的反射波斜交，在斷棱點(diǎn)還有繞射波，構(gòu)成了反射連繞射，繞射連斷面波，斷面波又連繞射的波動(dòng)圖像。

3.5.3?規(guī)則干擾波

（1）聲波：速度穩(wěn)定，直線同相軸；地震記錄中的高頻、強(qiáng)、尖波到達(dá)。

（2）面波：高強(qiáng)度、低頻率（有時(shí)只有十幾赫茲）、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在地震記錄中呈掃帚狀（即具有色散現(xiàn)象）。

（3）工業(yè)電干擾：在地震記錄數(shù)據(jù)上呈現(xiàn)五十赫茲的正弦干擾，有時(shí)比地震有效波強(qiáng)很多倍。

（4）重復(fù)沖擊：波的視速度和一次波的視速度相同。

（5）虛反射（鬼波）：干涉使法向波形狀復(fù)雜化，相數(shù)增多，其反射波形、頻率、視速度甚至幅度都與法向反射波相似，難以區(qū)分。增加震源深度可以將虛擬反射與伴隨它的每個(gè)反射波分開，便于識(shí)別。

（6）反射—折射—反射波：同相軸平行于直達(dá)波或折射波的同相軸，速度反映了強(qiáng)波阻抗界面處的速度，表現(xiàn)為連續(xù)波。

3.5.4?不規(guī)則干擾波

（1）微震：頻帶寬度（1～150赫茲），統(tǒng)計(jì)相關(guān)半徑6～9米，強(qiáng)度變化，取決于激勵(lì)接收時(shí)刻的周圍條件。

（2）高頻背景：整張記錄都出現(xiàn)高頻振動(dòng)，沒有一定規(guī)律性，參差不齊。

（3）低頻背景：低頻不規(guī)則振動(dòng)，振幅強(qiáng)。

（4）正常背景：該頻率對(duì)應(yīng)于反射波（30～60赫茲），并且從頭到尾貫穿整個(gè)記錄。

結(jié)語

本文在資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)需求完成了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集，通過一致性試驗(yàn)可以看出檢波器具有良好的脈沖響應(yīng)一致性。通過對(duì)人工錘擊震源的激發(fā)能量較小，適用于淺區(qū)的時(shí)間段反射波連續(xù)性好、能量強(qiáng)，錘擊震源在地表激發(fā)，這就要求鐵板與地之間有良好的耦合。在選擇淺層地震勘探震源時(shí)，應(yīng)綜合考慮地震勘探的目的和要求，根據(jù)施工條件、環(huán)境保護(hù)、成本效益和安全問題等因素，以人工錘擊震源作為一種低成本、方便快捷的激發(fā)震源方法。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：徐昊（1993—?），男，漢族，河北保定人，本科，主要從事地球物理和自然資源調(diào)查工作。

*通訊作者：宋炯（1987—?），男，漢族，河北定州人，研究生，主要從事地質(zhì)、地球物理和自然資源調(diào)查工作。