淺層地震反射波法在水底隧道勘察中的應用

沈磊

摘要：淺層地震反射波法是一種常用的勘探方法，它的應用范圍非常廣，如地質勘查、滑坡勘察、墩身檢測等。采用地震反射波法進行水底隧道的勘探漸多，說明該方法水上勘探的有效性。筆者應用此項技術結合廈門灣海底隧道水上地震的實際操作對發射波法在水底隧道的地質勘查進行了研究。

關鍵詞：淺層地震反射波法；水底隧道勘察；水上勘探

1.前言

淺層地震反射波法是一種常用的勘探方法，它的應用范圍非常廣，如地質勘查、滑坡勘查、墩身檢測等。在陸地上淺層地震反射波法的應用技術已日趨完善，可以較好地解決地下幾十米以內的工程地質問題，提供直觀連續的地質剖面圖，較明顯的顯示地質結構，確定基巖上覆蓋層的厚度及起伏情況。采用地震反射波法進行水底隧道的勘探漸多，說明該方法水上勘探的有效性。筆者應用此項技術結合廈門灣海底隧道水上地震的實際操作對發射波法在水底隧道的地質勘查進行了研究。

2.反射波法的特點

地震波反射波法研究的是地震波在不同彈性介質分界面上按一定規律產生反射的原理。反射波法不受地層速度逆轉的影響，受施工場地影響也較小，適應性較強，獲得的地質信息比較豐富，時間剖面能夠直觀的反應地下的地質情況。淺層反射波法在松散沉積地層中，對地層層序的劃分有很好的效果，對地基勘察和新構造運動跡象的調查都具有明顯的成效。在我國大型壩址勘測、海底隧道的勘查、水文地質調查以及城市活動斷層的調查中都有廣泛的應用。

3.應用實例

廈門灣海底隧道是貫通廈門本島和漳州開發區廈漳泉城際軌道交通3號線的海上通道，于漳州開發區南炮臺公園附近進入廈門灣海域，下穿廈門港10萬噸級航道及廈門一鼓浪嶼旅游航道后于演武大橋接環市南路處進入廈門島，設計為雙線雙洞隧道，左、右線間距約30m。為查明海底隧道段地層、構造及不良地質體發育情況，采用地震波發射法對海底隧道進行地質勘查。

3.1場地地質概況與地球物理條件

區內覆蓋層由第四系全新統長樂組海積相（Q₄^m）與殘積土構成，前者為淤泥、淤泥質黏土、礫砂，后者為花崗巖全風化產物。基巖主要為早白堊世瑪坑超單元梅山單元（K₁M）及晚侏羅世永興超單元瓜洋單元（J₃G）花崗巖。

海水與淤泥、淤泥與礫砂、全、強、弱風化基巖之間縱波波阻抗存在明顯差異，斷裂構造引起地層的垂向錯動或巖體破碎，會在地震時間剖面圖出現反射波組同相軸的錯動、不連續或能量減弱、繞射波出現等異常特征。因此本區具有開展地震反射法的地球物理條件。

3.2水上地震反射法工作方法

水上生產性數據采集工作開始前，進行了現場試驗。試驗內容包括震源能量、激發問隔時間、濾波通帶、采樣間隔、記錄長度、偏移距、炮間隔、航速等。通過試驗結果選擇最佳的采集參數。

水上地震勘探震源采用英國Applied Acousitics Engi-neefing公司生產的CSP-D2400J可調電磁脈沖震源，拖拉式連續勻速航行和定時激發方式施工，接收電纜牽掛在船尾部向后延伸。淺層地震采集時，物探測線采用GPS導航定位，探測船只沿布設測線呈勻速航行。為保證完全覆蓋設計測線，提前上線，推遲下線。

工作期間開啟淺層地震儀的噪聲監測模式，并實時監測漂浮電纜。保證電纜成直線或近似直線。在發現干擾較大、航跡偏離設計測線過大、船姿不正、漂浮電纜偏離測線過大時，停止采集數據，及時進行重測。

4.資料處理與解釋

4.1資料的處理方法

資料的處理主要流程如下：

預處理→CMP道集選排→疊前濾波→干擾切除→道問平衡→預測反褶積→速度分析→高精度τ-P變換→動校正→靜校正→保幅疊加→疊后偏移→疊后濾波→水域CDP坐標設置和潮位改正→水域CDP剖面樁號投影→成果時間剖面輸出。

上述部分步驟可不按順序或重復使用，直至輸出合格的結果為止。

其中主要節點的功能及參數如下：

①預處理為不正常道充零；②抽道集則按多次覆蓋觀測系統抽取其中心點道集；③疊前濾波主要為頻率帶通濾波，濾波的截止頻率由原始記錄中的頻譜分析結果決定，低截頻率范圍為40Hz-100Hz，高截頻率為250Hz-500Hz。④干擾切除主要切除電纜波干擾及直達波干擾；⑤道間平衡將各道的總能量調整為同一水平；⑥預測反褶積主要用于壓制全程多次波；⑦速度分析主要應用超級速度譜，速度分析區間為1000m/s～4000m/s（步長25m/s），從速度譜中根據疊加能量最強的原則拾取疊加速度，最終采用二維速度模型進行動校；⑧高精度τ-P變換主要用于壓制屈微多次波及層間多次波。由于高精度τ-P變換的應用，有效壓制了由于水深較淺而發育的多次波，消除了多次波對分層解釋的影響。

動校正應用速度分析確定的二維速度模型對CMP道集進行動校正。

疊后濾波主要濾除動校時拉伸畸變的波組，一般為低切濾波，截止頻率比疊前濾波的低切頻率稍低；疊后偏移采用二維F-X域有限差分法偏移。偏移速度在疊加速度的基礎上確定，最終選擇疊加速度的98%作為本次處理的偏移速度，局部地方稍作調整，以適應局部的構造和地質情況變化。

水域CDP坐標設置和潮位改正為根據導航記錄和潮位觀測資料設置每個CDP的坐標。并進行漂浮電纜沉放深度、震源沉放深度、潮位改正，將測點校正到位于國家2000高程系統的0m高程。改正波速為海水波速1500m/s；水域CDP剖面樁號投影為根據水域淺層地震的特點，按每個CDP的實際位置投影到設計測線上，但又保持其準確位置。

4.2資料分析與解釋

結合鉆孔資料和波速測試資料，在時間剖面上找出具有較強振幅、同相軸連續性較好、可在整個場區內追蹤的目的反射層作為標準層，對全區各方法時間剖面進行解釋、對比。

在本次工程物探獲得的地震時間剖面上分析識別出4個地震波強反射波組：T1、T2、T3和T4（圖1）。解釋過程對全部交點進行閉合，閉合差控制在t0時間的5%以內。

T1反射波組以水平層狀連續反射為主，推測T1面以上為水；T2反射波組以水平層狀連續反射為主，推測T1～T2時間界面之間為淤泥、淤泥質土等，縱波波速一般在1400m/s～1700m/s；T3推測為全強風化基巖頂界，T2～T3時間界面之間為礫砂等，縱波波速一般在1700m/s～2000m/s；T4部分反射能力強、連續性較好、起伏強烈，部分測段存在較多繞射波、回轉波等，推測T3～T4時間界面之間為全、強風化基巖等，縱波波速一般在2200m/s～2600m/s；T4波組之下推斷為弱～微風化基巖層，縱波速度大于3000m/s。

斷層解釋主要識別標志：

（1）地層反射波組錯斷；

（2）地層反射波組明顯突變、繞射波發育；

（3）地震反射波組同相軸扭曲；

（4）時間剖面上出現波形雜亂或能量缺失。

4.3資料的綜合分析與地質解釋

在本次物理勘探獲得的多道地震時間剖面上分析識別出4個地震波強反射界面，并由此將地層劃分為4個地震層位各分層與地層之間對應關系如下：①淤泥層（T1、112之間）；②礫砂層（T2、T3之間）；③全強風化基巖層（T3、T4之間）；④弱微風化層（T4以下）。

（1）本次水上地震勘察發現了1條斷裂構造，斷層附近基巖巖體較為破碎。

（2）F1斷層上盤有多個風化凹槽，凹槽處基巖風化強烈，巖體裂隙發育。

5.結語

通過水上淺層地震反射波法勘探，比較準確地查明了工區的水底地形、海底地層層位、隱伏斷層以及斷層影響范圍等，為工程施工設計提供了可靠的資料。實踐表明，淺層地震反射波法在水底隧道的勘查中具有良好的效果。