地震折射層析成像在覆蓋層厚度探測中的應用研究

摘 要：目前主要利用反射波法和折射波法來確定覆蓋層厚度，折射波法初至容易識別，資料解釋較容易，但是傳統折射解釋方法卻有著許多限制，對于速度橫向不均勻、下覆地層起伏變化較大或速度漸變、存在透射地形地質情況，傳統折射解釋方法一般都不能給出較好的結果。地震折射層析成像有效地克服了一般折射解釋方法的這些缺點。

關鍵詞：折射層析成像；折射波法；初至；覆蓋層厚度

引言

折射層析成像是基于對初至波進行射線追蹤反演，構建相應的速度層析成像圖，由此確定地質體中速度異常。與傳統的折射波法相比，折射層析成像最大的優點是在縱向梯度變化的速度層、強烈的水平速度變化地層、大傾角地層、隱伏層和任意地形起伏下，都可以通過折射波初至獲取復雜的地下結構，給出較好的反演結果。

1 折射層析成像基本原理

折射層析成像法是通過對初至波進行射線追蹤反演，構建相應的速度層析成像圖，由此可以確定地質體中速度異常體的大小、位置、物性等參數。

（1）初至拾取。在地震記錄中實際觀測到的初至包含直達波、回折波、折射波或三者組合的初至波，主要在近地表層進行傳播，一般能量較強，便于識別，且可追蹤性好，其走時包含了近地表層介質的速度信息。初至的正確拾取是折射層析反演工作的關鍵，起跳點的識別是初至拾取的難點所在，關系著反演結果的可靠性。圖1左側窗口為初至拾取窗口，右側窗口為走時曲線顯示窗口，紅色為根據地震記錄拾取初至后的時距曲線，綠色為根據觀測系統某次正演計算得到的時距曲線，兩曲線通過不斷正演，反演計算后，達到一定誤差精度要求后便構建出相應的速度層析成像圖。

（2）速度模型的建立。層析反演過程中，初始模型的選取至關重要，初始模型與實際結果越接近，層析反演計算速度越快，效果越好。過于簡化的模型可能使結構中有意義的信息被忽略，復雜的模型可能使反演的不確定性增強，同時可能引入虛假信息。在實際計算時，初始模型應該根據測井資料或速度譜等資料來確定。實際反演過程中，可能先驗信息不足，給定與實際結果相近的初始速度模型難度較大，一般是通過給定常速初始模型進行反演計算。層析反演過程中，需對速度加以約束限制，速度約束值范圍越接近實際速度的變化范圍，計算速度越快反演效果越好。在實際計算時，應該根據測井資料以及速度譜等資料來確定速度約束值。

（3）射線追蹤正演。本次使用Geogiga公司的折射層析成像模塊進行處理，方法的關鍵是對模型進行射線追蹤，程序中使用的射線追蹤方法基于惠更斯和費馬原理，聯合使用最短路徑法和彎曲射線法，首先用最短路徑法尋找全局最短路徑，然后再用彎曲射線法尋找局部最優，該方法運算速度較快且準確性高。

（4）迭代反演。折射層析成像的實質是反演，即根據初至時間推斷地下速度結構。從反演角度講，網格剖分較大時每個網格內通過的射線越多，越利于反演，但從正演角度講，網格剖分過大則會降低正演精度，從而直接影響反演的精度。實際計算時，網格剖分要同時兼具兩者才能取得更好的反演效果。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某水電站左、右岸江面以上均分布Ⅱ級階地，河床總體上河谷相對開闊，呈基本對稱的“V”字型峽谷，為斜向河谷，下伏基巖為玄武巖、杏仁狀玄武巖、花崗閃長巖等，巖性復雜。

折射層析成像法主要用于探測覆蓋層厚度和壩址巖體的波速分層情況，文章以下壩址Z11剖面來進行舉例說明。圖2 為Z11測線示意圖。

2.2 外業工作方法

此次外業數據采集使用美國SI公司的S-Land全數字化地震勘探數據采集系統，單個采集站控制36個接收道，28Hz數字化檢波器。外業數據采集使用夯錘作為震源，每個記錄進行多次疊加，確保每一個檢波道的初至清晰。為提高解釋精度，采用縱測線觀測系統，并用13個以上不同炮檢距激發，保證目的層有足夠射線。

2.3 折射層析資料處理

基于上章節所述的原理與處理流程，在取得有效折射波地震資料后，對折射波地震記錄進行了初至拾取，速度模型建立時底層速度是根據聲波測井實測數值取值，測區玄武巖的新鮮完整巖塊的波速取值5.8km/s，變質砂巖及泥巖的新鮮完整巖塊波速取值4.5km/s。表層速度取1.0km/s左右，速度模型最大深度設置為100m～120m。迭代反演網格設置為道間隔距一半（即2.5m×1.5m），初至提取誤差設置為0.5ms，最大反演次數設置為12次，有效的將反演單炮擬合誤差控制在5ms以下。圖3為處理流程的示意圖。

2.4 折射層析成果分析

Z11剖面表層主要由沙土、碎石、卵石、礫石、塊石組成，下伏基巖為砂泥巖。長度555米，兩個排列共激發42炮，最遠偏移距離為102.5米。由折射層析反演速度剖面推測覆蓋層、全風化層速度0.75km/s～1.9km/s，厚度24.5m～34.6m；強風化速度1.9km/s～2.7km/s，厚度9.5m～34.6m；弱風化上段速度2.7km/s～3.55km/s，厚度24.7m～45.6m；深度78.1m以下為弱風化下段，速度大于3.55km/s，解釋結果與鉆孔資料較吻合。

3 結束語

影響折射層析反演結果的因素主要有觀測系統、數據質量、正反演算法、目標區域的形態及性質等方面，合理的觀測系統可以獲得研究區域較密集的射線覆蓋，為最終的成像打下良好的基礎。正反演算法直接關系到地震層析成像的速度和精度，網格劃分、正反演所采用的計算方法、初始速度模型的選擇等都是其主要的影響因素。目標區域的形態及性質決定射線的聚散程度和分布情況，在參數選擇時，應盡可能根據近地表調查資料得到的某些參數的精確值，或者從已知地質背景知識得到的某些參數的取值范圍和模型空間的參數分布特點，然后建立相應的速度模型來進行初至的射線追蹤反演。

作者簡介：付運祥（1964，4-），男，籍貫：云南通海，學歷：本科，研究方向：地球物理。