城市地下斷裂構造可控震源地震勘探試驗研究

丁美青， 胡澤安， 李建寧， 周會鵬， 胡雄武

(安徽理工大學 地球與環境學院， 淮南 232001)

城市地下斷裂構造可控震源地震勘探試驗研究

丁美青， 胡澤安， 李建寧， 周會鵬， 胡雄武

(安徽理工大學 地球與環境學院， 淮南 232001)

在城市地下空間開發過程中，斷裂構造是引起地質災害的重要因素之一，有效探查斷層的位置、規模及深度，具有重要的意義。地震反射波法已逐漸應用到城市地下空間異常地質構造地探查，但城市地表表層地震地質條件復雜，環境噪音大，硬質路面檢波器耦合較差，傳統錘擊震源能量弱、衰減快、信噪比低，勘探精度很難達到規范要求。這里以某城市勘探區探查地下斷裂構造為例，利用可控震源激發，從能量、信噪比、頻率等方面對試驗資料進行分析，確定適合該區可控震源施工參數，提高了地震時間剖面的分辨率和探查精度，取得了良好的探查應用效果。

斷裂構造； 城市震探； 可控震源； 施工參數； 應用效果

0 引言

隨著我國經濟建設和改革開放地迅速發展，城市化進程不斷推進，城市地下空間地應用逐漸被提上議程。許多基礎設施以及各種建筑物逐漸從地上轉向地下，這就對城市地下空間的地質構造地探查提出了更高的要求。其中城市活斷層的探查尤為重要，有效探查城市活動斷層的空間位置、深度等，可以降低城市地下空間開發過程中的危險性[1-2]。物探方法中淺層反射地震波法是城市地下空間斷層構造探測常用的技術方法之一，但由于城市施工條件的特殊性，地震勘探測線多布置在水泥及瀝青路面，檢波器與大地耦合效果較差，并且傳統的錘擊震源和炸藥震源勘探存在很大的局限性。如何解決城市環境下淺層地震勘探的激發技術，降低城市噪音對地震資料地影響，減小對城市環境地破壞，始終是地震勘探亟待解決的問題之一。

可控震源地震勘探自上世紀90年代初進入高效采集階段并發展至今，具有激發信號精準可控、數據采集效率高、信噪比高等優勢，可在噪音背景較大的城市環境下使用，尤其是在檢波器與大地耦合效果較差的水泥及瀝青路面使用時，因其現場施工高效，地震信號良好等突出優點，日益受到地球物理界的廣泛關注[3]。近年來，張玉軍等[4]應用可控震源在激發條件復雜地區取得了良好的效果；潘紀順等[5]對于城市活斷層的探查應用不同震源進行實驗研究，指出了可控震源的優越性。筆者以某城市勘探區探查地下斷裂構造為例，對城市環境下噪音影響較大，水泥路面耦合差的地區應用可控震源地震勘探的具體施工和方法進行介紹。

1 可控震源地震勘探原理

可控震源是通過振動平板向地下空間發射一個時間較長，頻率不斷變化的正弦信號(掃描信號)。目前，地震勘探最為廣泛的是線性掃描信號，這種信號振幅穩定，頻率隨時間變化呈線性關系[6]。圖1是線性掃描的典型例子。

圖1 線性掃描Fig.1 Linear sweep

線性掃描信號的數學表達式為：

0≤t≤T

式中：f1和f2分別是掃描信號的起始頻率和終了頻率；A為掃描信號的振幅；T為掃描信號的長度；t為時間變量；若表達式中取“+”號，則表示掃描頻率與時間呈正相關，這種掃描稱之為升頻掃描。若取“-”號，則表示掃描頻率與時間呈負相關，這種掃描稱之為降頻掃描。

與傳統的重錘、氣槍和爆炸震源相比，可控震源是穩態的，可持續地向地下傳播振動。為了確保發射能量的強度，發射到地下空間的掃描信號要足夠長。因此，地下空間各層反射回來的原始信號，在時間上是相互重疊干涉的，由此形成可控震源原始信號記錄。這種震源記錄相互干涉，波形復雜，不僅無法確定反射層數，到達各反射層的時間也很難獲知。為了將可控震源記錄轉換成可供解釋的震源信號，地震主機引入“相關”的數學方法，對掃描信號進行相關性運算，生成原始炮集記錄。

相關是衡量兩種波形在何時最為相似的數學方法，主要是起到脈沖壓縮和濾波的作用[6]。由于線性掃描信號可由正弦函數關系式表達，所以可將線性掃描信號X(t)進行相關運算，得到線性掃描的自相關函數X′(t)。經過相關運算的線性掃描信號X′(t)就構成了可控震源記錄的基本波形，通常被稱為相關子波。

2 可控震源與錘擊震源的區別

可控震源與傳統錘擊震源相比具有以下特點：

1)可控震源與錘擊震源地震勘探的地球物理基礎是相同的，激發信號在大地內部傳播均受到相同地吸收和衰減作用。但兩種震源方式產生的震源信號，無論是信號地激發方式，還是信號的頻率，頻寬及振動波形特征，都具有明顯的差異。

2)可控震源是通過與地面耦合良好地振動平板向地下空間傳播掃描信號，這種地震信號成分已知，頻率、頻帶寬度等都是可以人為控制的。在野外采集過程中，可以根據測區的地震地質條件，選擇最佳采集參數，提高地震資料的信噪比[7-8]。

3)可控震源采用連續掃描信號，波的能量及穿透能力明顯增強。與錘擊震源相比，可控震源連續振動，并引入“相關性運算”對掃描信號進行處理，可以避免城市環境噪音的影響，消除隨機干擾。錘擊震源不同于可控震源，一般通過錘擊向地下空間傳播脈沖振動信號，振動延續時間很短，是一種瞬態的震源信號。

為對比分析可控震源在城市震探中的優勢，在工區所在位置分別應用錘擊震源和可控震源進行地震勘探試驗，單炮記錄如圖2所示，圖2(a)為錘擊震源單炮記錄，由于受到錘擊震源能量地限制，且水泥路面頻率較高，衰減較快，造成測線遠端的信號能量過小[9]，尤其在城市環境下，車輛地行駛和工業設施的影響，加之檢波器與硬質地面的耦合效果較差，信噪比過低，很難達到城市地震勘探的探查精度。圖2(b)為可控震源單炮記錄，能量大，一致性好。采集的信號受環境噪音影響較小，信噪比高，目的層及反射波同相軸清晰。

圖2 不同震源單炮記錄對比Fig.2 The comparison of single shot record of different source(a)錘擊震源；(b)可控震源

3 試驗工作

本次城市斷裂構造探查地震工作所在區域位于一系列NE走向的斷裂帶之上，斷裂構造較為發育，褶皺少見且規模小。測區周邊地勢上總體由西北的山地逐漸向東南部的丘陵，濱海平原過渡，水系發達，全年降水豐富，存在常年地表徑流，地下水量較大，水位較淺，水文鉆孔揭露初見地下水位埋深為0.6 m，近似穩定地下水位埋深為6.8 m。研究區內地層發育殘缺，主要有泥盆系，侏羅系及第四系巖層，除西側、西南、西北部分地區出露侏羅系上統外，其余全被第四系全新統海相沉積層和第四系更新統沖洪積層覆蓋。地表上覆第四系巖土層厚度約為30 m～60 m，上部為含砂礫，粉砂土及亞粘土等第四系沖洪積土，波速較低，地震地質條件一般。深部基巖為火成巖堅硬巖組及部分變質巖堅硬巖組，波速較高，地震地質條件較好。第四系巖土層與基巖的波阻抗差異較大，具備反射波勘探的物理條件。

現場探查時測線經過多條硬質路面，測線末端局部為積水路面，檢波器與地面耦合較差。傳統重錘振動能量弱，城市環境下噪聲較大，無法達到探測精度。為了將可控震源更好地應用到城市地區的地震勘探，在測區范圍內進行了從點到線的一系列試驗。

3.1 試驗內容

該區現場探測依據以往工程實例，保持震動臺數2臺，震動次數3次。通過對震源出力、掃描頻率、掃描長度、信號長度等關鍵參數進行一系列對比試驗(表1)，確定適合該區可控震源施工參數，從而獲得最佳采集效果。選取具有代表性的單炮記錄進行對比分析，比較各個施工參數的效果。

3.2 采集參數對比分析

3.2.1 震源出力試驗

保持掃描長度為10 s，掃描頻率線性升頻為10 Hz ～100 Hz，采樣間隔為0.5 ms，信號長度為1 000 ms，試驗震源出力分別為20%(相當 6 KN)、30%(相當 8.8 KN)、40%(相當 11.8 KN)時的效果(圖3)。由圖3分析可知，震源出力為20%與30%、40%的信噪比能量，前者略低于后者說明震源出力宜不低于30%。

3.2.2 掃描頻率試驗

保持震源出力為40%，掃描長度為10 s，線性升頻改變，采樣間隔為0.5 ms，信號長度為1 000 ms，分別進行掃描頻率10 Hz ～80 Hz、10 Hz ～100 Hz、10 Hz ～120 Hz試驗(圖4)。從采集的信號來看，隨著頻率的增大，針對淺層的反射波越發明顯。圖5是不同掃描頻率試驗頻譜分析圖，由圖5可以看出，分析頻寬和信噪比，三種掃描方式沒有明顯差別10 Hz～100 Hz掃描頻率下能量相對較強，分布均勻。綜合考慮勘探任務與淺層分辨率，選擇 10 Hz～100 Hz為本次試驗研究的掃頻范圍。

3.2.3 掃描長度試驗

保持震源出力為40%，掃描頻率線性升頻10 Hz ～100 Hz，采樣間隔為0.5 ms，信號長度為1 000 ms。分別試驗掃描長度為 8 s、10 s、15 s的激發效果。圖6是不同掃描長度試驗單炮記錄。從采集的信號來看，掃描長度10 s的信噪比和能量均好于掃描長度8 s和15 s，結果表明，掃描長度宜選擇10 s。

表1 試驗參數統計表Tab.1 Test parameters

圖3 不同震源出力試驗單炮記錄Fig.3 Record of single shot of different source output test(a)20%；(b)30%;(c)40%

圖4 不同掃描頻率試驗單炮記錄Fig.4 Record of single shot of different scan frequency test(a)10 Hz～80 Hz；(b)10 Hz～100 Hz; (c)10 Hz～120 Hz

圖5 不同掃描頻率試驗頻譜分析Fig.5 Record of spectrum analysis of different scan frequency test(a)10 Hz～80 Hz；(b)10 Hz～100 Hz; (c)10 Hz～120 Hz

圖6 不同掃描長度試驗單炮記錄Fig.6 Record of single shot of different scan length test (a)8 s;(b)10 s;(c)15 s

3.2.4 信號長度試驗

保持震源出力為40 %，掃描頻率線性升頻10 Hz～100 Hz，采樣間隔0.5 ms，分別試驗信號長度為1 000 ms、1 500 ms、2 000 ms的激發效果。圖7是不同信號長度試驗單炮記錄。對單炮記錄進行分析，采樣時長越短，信號的信噪比越高。本次試驗研究主要為淺層勘探，目標反射層較淺，采樣長度不要求很長，說明采樣時間宜選擇1 000 ms。

以上試驗結果表明：在該區地震地質條件下，施工參數采用震源出力為40%、掃描長度為10 s、掃描頻率線性升頻為10 Hz～100 Hz、采樣間隔為0.5 ms以及信號長度為1 000 ms，可得到滿意的激發效果。

圖7 不同信號長度試驗單炮記錄Fig.7 Record of single shot of different signal length test(a)1 000 ms ；(b)1 500 ms；(c)2 000 ms

4 城市地區應用實例

4.1 數據采集

綜合考慮勘查區地質概況及地震地質條件，并總結分析上述試驗點的基礎上，采用 48道接收，道間距為2 m，單邊激發，炮間距為8 m 的觀測系統。數據采集儀器使用美國SI儀器公司生產的S-Land全數字化地震數據采集系統地震儀，震源采用WTC5060TZY/3噸型縱橫波兩用可控震源車，橫波激發，線性掃描，震源出力為40%，掃描長度為10 s，掃頻范圍為10 Hz～100 Hz，采樣間隔為0.5 ms，前置增益為36 dB，記錄長度為1s，數據記錄為SEGY格式。此外，檢波器采用日本OYO公司生產的28 Hz橫縱波兩用數字檢波器，與硬質路面使用黃油耦合，盡量保證檢波器所接收的數據質量。

4.2 數據處理及解釋

可控震源地震勘探的數據處理與傳統錘擊震源存在明顯的差異，由于其引入“相關”的數學方法，抗隨機干擾的能力較強，但面波及聲波干擾不容忽視。本次城市背景下可控震源地震勘探共完成4條測線的探查工作，每條測線1 000 m，所采集到的地震記錄能量強，但表層信息反映較差。在數據處理時，運用地形靜校正，振幅補償、疊前多道預測反褶積、動校正及速度分析等方法進行消噪處理[10-11](圖8)，提高地震信號的信噪比，得到地震時間剖面，現選擇其中一條測線進行地質解釋，圖9為數據處理后獲得的測線反射地震剖面。

圖8 可控震源地震勘探數據處理流程圖Fig.8 The flowchart of data processing that seismic prospecting with vibrator

圖9 可控震源地震解釋剖面及測區電阻率剖面對比圖(300 m～800 m)Fig.9 The comparison of seismic interpretation section of vibrator and resistivity profile of exploration area(300 m～800 m)(a)可控震源地震解釋剖面圖;(b)測區電阻率剖面圖

通過對比地震反射波組，第四系巖土層與基巖反射同相軸較強，連續性好，在400 ms左右測線全區存在比較連續的反射同相軸，解釋為巖性分界面。0 ms～400 ms范圍內反射同相軸零亂，幾乎沒有可供解釋的反射波，主要為第四系松散層，表層信息反映較差。測線中部160 m，540 m，830 m處，同相軸錯斷，圈定3處斷層依次命名為F1、F2、F3，斷層影響帶寬度大于20 m，傾角大于70°。取綜合橫波速度300 m/s～400 m/s換算基巖面埋深度為55 m～60 m。測區范圍內300 m～800 m處補測電法勘探，反演所得電阻率剖面圖如圖10所示，經過對比分析，基巖面及斷層位置與地震勘探所得結果較為一致，取得了良好的效果。

5 結論

1)城市地區淺層地震勘探地質條件復雜，傳統錘擊震源能量弱、衰減快、檢波器耦合較差，受環境噪音影響較大，地震信號信噪比低。利用可控震源激發，對比分析各種試驗參數下單炮記錄及振幅頻譜，從能量、信噪比、頻率等方面對試驗資料進行解釋，確定震源出力、掃描頻率、掃描時長、信號長度等最佳施工參數，提高了地震時間剖面的分辨率和探查精度，取得了良好的探查應用效果。

2)通過分析一系列由點到線的試驗及工程實例，充分證明可控震源在城市地區激發效果良好，取得了高質量的地震資料，彌補了炸藥和錘擊震源的不足，可以快速、有效的探查地下斷裂構造的埋深及規模，第四系覆蓋層厚度變化，地層結構等地質要素。為今后在地震地質條件復雜的城市地區進行地震勘探工作提供了借鑒。

[1] 張慧利, 張琳, 夏媛媛. 淺層地震勘探在城市活斷層探測與危險性評價中的應用[J]. 工程地球物理學報, 2014, 11(1):85-88. ZHANG H L，ZHANG L，XIA Y Y. The application of shallow seismic prospecting methods to urban active fault detection and Risk assessment[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2014, 11(1):85-88. (In Chinese)

[2] 任政委, 龍慧, 劉文增. 可控震源地震在張掖盆地南緣逆沖斷裂構造勘探中的應用[J]. 地質調查與研究, 2015, 38(3):218-221. REN Z W，LONG H，LIU W Z. Application of vibroseis seismic method to exploring the thrust faults in the southern margin of Zhangye basin[J]. Geological Survey And Research,2015, 38(3):218-221. (In Chinese)

[3] 凌云, 高軍, 孫德勝,等. 可控震源在地震勘探中的應用前景與問題分析[J]. 石油物探, 2008, 47(5):425-438. LING Y，GAO J，SUN D S，et al. Analysis of vibroseis in seismic exploration and its application[J]. Geophysical Prospecting For Petroleum,2008, 47(5):425-438. (In Chinese)

[4] 張玉軍, 田雪豐, 冷廣昇. 可控震源在地震勘探激發條件復雜地區的應用[J]. 煤田地質與勘探, 2015, 43(5):108-112. ZHANG Y J，TIAN X F，LENG G S. Application of vibrator in the region with complex seismic excitation conditions[J]. Coal Geology & Exploration, 2015, 43(5):108-112. (In Chinese)

[5] 潘紀順, 劉保金, 朱金芳,等. 城市活斷層高分辨率地震勘探震源對比試驗研究[J]. 地震地質, 2002, 24(4):533-541. PAN J S，LIU B J，ZHU J F，et al. Comparative experimention on seismic sources in high-resolution seismic exploration for urban active faults[J]. Seismology and Geology, 2002, 24(4):533-541. (In Chinese)

[6] 槐永軍, 武永生. 可控震源的相關技術[J]. 物探裝備, 2009, 19(1):30-32. HUAI Y J，WU Y S. Correlation technique of vibroseis[J]. Equipment for Geophysical Prospecting, 2009, 19(1):30-32. (In Chinese)

[7] 何正勤, 陳宇坤, 葉太蘭,等. 淺層地震勘探在沿海地區隱伏斷層探測中的應用[J]. 地震地質, 2007, 29(2):363-372. HE Z Q，CHEN Y K，YE T L，et al. Application of shallow seismic exploration in detection of buried fault in coastal areas[J]. Seismology and Geology,2007, 29(2):363-372. (In Chinese)

[8] 薛海飛, 董守華, 陶文朋. 可控震源地震勘探中的參數選擇[J]. 物探與化探, 2010, 34(2):185-190. XUE H F，DONG S H，TAO W P. Parameter selection in vibroseis seismic exploration[J]. Geophysical and geochemical exploration, 2010, 34(2):185-190. (In Chinese)

[9] 鹿子林, 王建學, 趙培,等. 不同路面條件下地震映像勘探效果的對比研究[J]. 華北地震科學, 2011, 29(1):20-23. LU Z L，WANG J X，ZHAO P，et al. Contrastive Study on the Effects of Seismic Imaging Exploration under Different Road Surface Conditions[J]. North China Earthquake Science, 2011, 29(1):20-23. (In Chinese)

[10]丁偉, 胡立新, 何京國,等. 可控震源高效地震采集技術研究及應用[J]. 石油物探, 2014, 53(3):338-343. (In Chinese) DING W，HU L X，HE J G，et al. The research on vibrator high efficient simulation technology and its application[J]. Geophysical Prospecting for Petroleum, 2014, 53(3):338-343. (In Chinese)

[11]賀海洋, 蒲曉東, 王新全,等. 復雜地區可控震源高效采集技術[J]. 西南石油大學學報:自然科學版, 2013, 35(3):76-84. HE H Y，P X D，WANG X Q，et al. Technologies of Vibroseis High Efficient Acquisition in Complex Terrain Area[J]. Journal of Southwest Petroleum University (Science & Technology Edition), 2013, 35(3):76-84.(In Chinese)

Experimental study on vibroseis seismic exploration in urban underground fault structure

DING Meiqing， HU Zean， LI Jianning， ZHOU Huipeng， HU Xiongwu

(School of Earth and Environment, Anhui University of science and Technology, Huainan 232001, China)

In the process of urban underground space development, the fault structure is one of the important factors that cause the geological disasters. It is of great significance to effectively detect the location, size and depth of the fault. Seismic reflection wave method has been gradually applied to the exploration of abnormal geological structure of urban underground space. But the urban surface seismic geological conditions are complex, high noise and poor detector coupling in hard pavement. Traditional hammer energy sources are weak, fast decay, low signal to noise ratio, and it is difficult to meet the requirements of the specification. Taking the exploration of underground structure in a city as an example, the vibrator was used to carry out excitation, analysis was conducted for test data from energy, SNR and frequency to determine the operation parameters. It can enhance the resolution and exploration precision of seismic time section, obtaining more satisfied exploration results.

fault structure; urban seismic exploration; vibrator; operation parameters; exploration results

2016-08-11 改回日期：2016-09-26

安徽省大學生創業訓練計劃資助項目(201510361116)

丁美青(1993-)，男，碩士，研究方向為工程與環境地球物理勘探，E-mail：DMQ110750113@163.com。

1001-1749(2017)04-0565-08

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.18