折射CT 反演法在淺層地震勘探中的應(yīng)用

徐學(xué)文 徐 敏

(陜西省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西西安 710068)

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)步伐的加快，大量的橋梁、隧道和不良地質(zhì)段落急需在初勘階段初步查明地層結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造等分布情況，為初步設(shè)計提供較可靠的地質(zhì)資料。如何選擇一種既經(jīng)濟可靠又方便快捷的勘察手段，便成為現(xiàn)有地質(zhì)工作者重點關(guān)注的問題之一。本文以榆林至綏德高速孫家山隧道淺層地震勘探為例，引入一種新的折射CT反演技術(shù)來分析處理地震波數(shù)據(jù)，解譯出的基巖層面與隨后的鉆探結(jié)果基本一致，說明該方法具有良好的時效性和準確性，對今后類似的工程地質(zhì)勘察工作提供了一種全新的手段。

1 折射CT反演法的工作原理

地震折射CT反演技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新的物探手段，它是在地表布置激發(fā)點和接收點所組成的觀測系統(tǒng)，由激發(fā)點產(chǎn)生的地震波經(jīng)過地下地質(zhì)體的折射等物理過程，到達接收點，利用接收點所記錄折射波等震相的走時或振幅資料，在計算機上重建地質(zhì)體內(nèi)部圖像模型，從而得到所研究地質(zhì)體的巖性及構(gòu)造分布的一種物探方法。折射CT反演法與常規(guī)反射波法相比，主要是在處理流程和后期模型分析解釋方面有較大差異(見圖1，圖2)，繪制的地質(zhì)圖像具有更直觀、分辨率高、信息量大和可靠性等優(yōu)點。

圖1 反射法資料處理基本流程

2 折射CT反演法的工程應(yīng)用

2．1 勘察場地工程概況

榆綏高速公路孫家溝隧道位于陜西榆林市米脂縣孫家溝村附近，單洞長約876 m，隧址區(qū)整體位于鄂爾多斯斷塊伊陜斜坡區(qū)，中、新生代以來，區(qū)內(nèi)一直處于相對穩(wěn)定和振蕩性升降的狀態(tài)，區(qū)內(nèi)褶皺、斷層不發(fā)育，地震活動輕微，地殼屬于相對穩(wěn)定的構(gòu)造區(qū)。區(qū)內(nèi)巖層產(chǎn)狀總體較平緩，傾角約2°～5°，微地貌屬黃土梁峁溝壑區(qū)。

圖2 折射CT法資料處理基本流程

2．2 淺層地震資料收集

根據(jù)勘察目的，沿隧道縱向布設(shè)地震測線1條，進出口橫向各布設(shè)測線1條。地震資料采集儀器為SE2404NT型108道分布式數(shù)字地震儀采集系統(tǒng)，采用6次～9次覆蓋、36道接收、端點激發(fā)的方式完成反射波和折射波資料采集。

2．3 折射CT反演結(jié)果

折射CT資料處理，采用GM層析成像反演系統(tǒng)以及圖2的處理流程，解譯結(jié)果詳見圖3。由解譯結(jié)果可知，其速度的高低變化直接反映了淺表層巖土介質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化特征，與多次覆蓋反射法結(jié)果相比(見圖4)，其異常變化特征與位置有相似之處，但進一步反映了淺表層黃土的分層結(jié)構(gòu)、展布特征，尤其是基巖面的大概位置，解譯圖像具有直觀、分辨率高等優(yōu)點。

圖3 孫家溝隧道CT速度解釋剖面圖

圖4 孫家溝隧道水平疊加解釋時間剖面（反射法）

為更好的與反射法綜合比較分析，根據(jù)地震水平迭加時間剖面的波組特征和折射CT速度反演結(jié)果，對各測線剖面范圍內(nèi)能量較強、連續(xù)性較好并可能具有一定地質(zhì)意義的各反射波(組)和有一定差異的CT速度分界面進行了對比追綜和層位標定，并定名為T1，T2，T3和T4分層界面，其中:

1)T1層位:淺表層黃土速度差異界面;

2)T2層位:黃土層中上部速度差異界面;

3)T3層位:強風(fēng)化基巖層頂部反射界面，同時表現(xiàn)為速度差異界面;

4)T4層位:中風(fēng)化基巖巖頂反射界面，同時表現(xiàn)為速度差異界面。

分析可見，較連續(xù)穩(wěn)定波場同相軸或速度分界面表現(xiàn)了具有一定意義的地質(zhì)分層界限。由CT速度剖面可見，強風(fēng)化基巖上部地層由淺至深縱波速度的變化范圍為310 m/s～1 480 m/s，主要體現(xiàn)了工區(qū)剖面范圍內(nèi)粉土層、黃土層及粘土層的速度變化特征，強～中風(fēng)化基巖的速度為1 450 m/s～2 180 m/s，符合一般變化規(guī)律。

2．4 與實際鉆孔探測資料比照結(jié)果

我們對隧道施作物探后，初勘和詳勘階段，為進一步驗證物探資料的準確性，在隧道進出口和洞身適當(dāng)位置布設(shè)了三個勘探鉆孔，鉆孔中基巖埋深情況與采用CT反演法得到的基巖層面對比結(jié)果見表1。由表1可見，層位標定結(jié)果誤差較小，誤差率均小于10%，個別鉆孔(ZK3)強風(fēng)化底界面標定深度誤差相對較大，分析認為可能與鉆孔分層誤差有關(guān)，總體而言，采用折射CT反演法標定的層間結(jié)果達到了較好的解釋精度要求。

表1 折射CT法地震勘探層位與鉆孔層位對照表

3 結(jié)語

在榆綏高速初勘其余的幾座隧道、橋梁的物探中，我們運用

CT反演法分析得出的地層剖面與詳勘施打鉆孔后連線得出的地質(zhì)剖面圖相比，基本都達到了較高的精度，尤其是對基巖面的判別誤差率均小于10%。說明在工程地質(zhì)勘察中采用CT物探技術(shù)，不僅可以節(jié)省大量的鉆探工作量和鉆機搬運等費用，縮短勘察周期，又可以為設(shè)計部門提供較為可靠的地質(zhì)參考資料，尤其是在急需判明基巖埋深情況的橋梁和隧道等工點，利用該方法可以達到經(jīng)濟、可靠、方便快速的目的，為今后的工程地質(zhì)勘察工作提供了一種新的勘察手段。

［1] 王振東．淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)［M］．北京:地質(zhì)出版社，1988．

［2] 王超凡，趙永貴．地震吸收CT及其在采空區(qū)探測中的應(yīng)用［J］．地球物理學(xué)報，1998(41):367-375．

［3] 靳洪曉，趙永貴．地面地震CT在淺層勘探中的應(yīng)用［J］．工程地質(zhì)學(xué)報，2000(8):239-243．