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要點，并以天津武清地區的淺層地震勘探為例，重點探究了淺層反射波法地震勘探的原理及其在工程地質勘察中的應用效果。通過試驗研究結果表明，其不僅可以充分發揮淺層地震反射波法的優勢，在工程地質勘察中具有良好的應用前景。

關鍵詞：人工震源；反射波法；淺層地震；試驗研究

1?概述

地震勘探是基于地下介質彈性和密度的差異，利用人工激發地震波并通過觀測和分析其在地球內部的傳播規律，研究推斷地下地質構造和地層巖性特征，從而達到勘探目的［1］。地震波是由人工震源激發的彈性振動在地球介質內部及其表面傳播的擾動，根據傳播位置地震波主要分為體波和面波兩大類，體波可分為質點震動方向與波傳播方向一致的縱波和質點振動方向與波傳播方向垂直的橫波，因為縱波具有在激發與接收方面相對容易的優勢，所以目前地震勘探主要是以縱波勘探為主。根據波的傳播規律，地震勘探分為反射波法、折射波法、面波法和地震測井方法。縱波反射波法（以下簡稱反射波法）是地震勘探工作中運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工作，根據依據地下介質在物性差異界面上地震波的動力學以及運動學特征，探測地層或者基巖的埋深及其速度結構，具有分辨率高、探測結果可靠等特點［3］。

人工激發地震波在地下傳播的過程中，遇到不同波阻抗（地下介質速度和密度的乘積）地下介質的分界面時，通常會分成兩部分，一部分繼續向下傳播稱為透射波，一部分向上返回到第一種介質中稱為反射波，利用地震儀器設備對返回地面的反射地震波數據進行記錄。在野外工作時，每次激發只能在某條測線的地段上接收，將一次激發多道檢波器接收的觀測地段稱為排列。為了能得到整條測線上連續和完整的地下反射資料，必須按一定的規則來部署激發點與接收排列和進行觀測，并且為壓制多次反射波之類的特殊干擾波，有規律地同時移動激發點與接收排列，建立多次覆蓋觀測系統。為避開激發點附近面波和聲波的干擾，在實現此過程主要應用相同的偏移距激發和接收地震波，以完成測點波形的記錄工作，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不同的結構、性質等發生變化，在這個過程中主要收集地震波的反射速度，以此來獲取地層結構的相關數據，此外在明確反射波頻率和速度等基礎上可以實現對地層和巖石性質的判斷和推測，其中主要包含地質體沿不同方向變化的具體情況，以此來實現地質勘探的目的［5］［6］。

3?試驗研究

3.1?試驗區概況

3.1.1?試驗區位置

本次試驗區域為天津市武清區與廊坊市廣陽區交界處（圖1），地處華北平原的北東部和海河流域下游，為下沉運動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，研究區所在農田內，試驗區內第四系覆蓋較厚，未見基巖出露。

3.1.2?試驗區地球物理特征

地下介質有一定厚度的地層和相鄰地層形成明顯的波阻抗差異，是進行淺層地震勘探的前提條件。第四紀覆蓋層、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。當疏松的覆蓋層富含水時縱波（P波）波速明顯增加，潛水面是一個明顯的波阻抗界面，這些地質條件都為地震勘探提供了良好的物理條件。

（1）低速帶。研究區內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，土壤層的壓實程度一般。

（2）含水層的位置。研究區未進行鉆探，具體含水層的位置未知。研究區一般為基本農田，降水豐富，含水層的位置較淺。

（3）淺層地質剖面的均勻性。從區域地質概況來看，第四系埋深較厚，區內淺層地質剖面較為均勻。

3.2?地震采集儀器設備

本次陸地反射法地震勘探試驗使用的是美國Geode地震儀。此設備是目前同領域探測設備重量最小、最靈活和性價比最高的設備，適于野外作業。該采集系統包括Geode采集單元、數傳電纜和模擬電纜，儀器主機主要技術指標見下表。

此次開展淺層反射波地震勘探試驗，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，從環保、安全和經濟效益的角度考慮，選用錘擊震源。

3.3?試驗數據采集

3.3.1?一致性測試

一致性是指所有地震道具有相同的特征，從而可以記錄多個道，以免由于地震道的一致性不同而導致錯誤的解釋結論。一致性測試是檢查地震道一致性的生產準備。此次試驗檢查地震道一致性的方法是在地形良好的情況下，將檢波器布設為一個圓形，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地震波，記錄每個通道接收到的振動應具有相同的相位、幅度和波形。

本次試驗的一致性試驗中原始地震記錄如圖2所示。通過試驗結果可以看出，各類設備的性能指標符合生產和試驗規范要求。

3.3.2?觀測系統布設

本次試驗觀測系統采用96道排列接收，道間距2m，單邊放炮，炮間距6m。人工錘擊震源，同一炮點人工錘擊15次，為避免工業電等其他干擾，將排列布置在遠離高壓電線的地方。

3.3.3?地震剖面數據采集試驗

基于人工錘擊震源開展地震數據采集試驗，在觀測系統的設計激發點位置，利用錘擊進行地震波激發采集地震記錄數據。

3.4?反射波資料處理

本次資料處理內容主要包括：定義觀測系統、增益控制、道編輯、濾波、反褶積、野外靜校正、速度分析、動校正、剩余靜校正、疊加、時深轉換、疊后偏移等（圖3）。

3.5?試驗結果分析

3.5.1?地震剖面

本次試驗探測結果如圖4所示，錘擊震源激發效果良好，具有較強的穿透性，在600ms時候，可以看到明顯的反射波連續同相軸。因此，淺部區域獲得的時間剖面使用人工錘擊震源激發的能量最適宜，反射波連續性較好且能量較強。

3.5.2?有效波

一個水平界面反射波的同相軸呈以時間軸對稱的雙曲線，直達波的同相軸是過原點的直線，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距曲線是沿最小點向上傾角方向的雙曲線偏移。從彎曲界面反射的波的時距曲線可能有一個回路，呈“蝴蝶結”的幾何形態，對應的反射波稱為回轉波。水平多層介質中反射波的時距曲線近似為雙曲線。線性連續介質中，波的傳播路徑為圓弧叫做回折波，回折波時距曲線多呈現一條曲線，多個水平層中折射波的時間距離曲線多為折線，傾斜界面折射波時距曲線為曲線。

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

3.5.3?規則干擾波

（1）聲波：速度穩定，直線同相軸；地震記錄中的高頻、強、尖波到達。

（2）面波：高強度、低頻率（有時只有十幾赫茲）、持續時間長，在地震記錄中呈掃帚狀（即具有色散現象）。

（3）工業電干擾：在地震記錄數據上呈現五十赫茲的正弦干擾，有時比地震有效波強很多倍。

（4）重復沖擊：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雜化，相數增多，其反射波形、頻率、視速度甚至幅度都與法向反射波相似，難以區分。增加震源深度可以將虛擬反射與伴隨它的每個反射波分開，便于識別。

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

3.5.4?不規則干擾波

（1）微震：頻帶寬度（1～150赫茲），統計相關半徑6～9米，強度變化，取決于激勵接收時刻的周圍條件。

（2）高頻背景：整張記錄都出現高頻振動，沒有一定規律性，參差不齊。

（3）低頻背景：低頻不規則振動，振幅強。

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

結語

本文在資料調研的基礎上，結合設計需求完成了試驗方案設計和數據采集，通過一致性試驗可以看出檢波器具有良好的脈沖響應一致性。通過對人工錘擊震源的激發能量較小，適用于淺區的時間段反射波連續性好、能量強，錘擊震源在地表激發，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，應綜合考慮地震勘探的目的和要求，根據施工條件、環境保護、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、方便快捷的激發震源方法。

參考文獻：

［1］姚姚.地震波與地震勘探［M］.北京：地質出版社，2005.

［2］范磊.淺層地震反射波法在地質工程勘探中的應用研究［J］.華北自然資源，2021（04）：4243.

［3］耿祥峰.淺層地震勘探反射波法在巖溶塌陷勘察中的應用［J］.化工管理，2021（29）：1920.

［4］吳雙紅，白艷娟，夏媛媛，等.活動斷層地質勘探中的淺層反射波方法與層析成像［J］.能源與環保，2018，040（004）：7377.

［5］王樹威.地震反射波地質層位標定方法研究［J］.中國煤炭，2018，44（12）：3035.

［6］陳建福.地震反射波法在復雜地層跨海盾構隧道中的應用［J］.中外公路，2020，40（3）：102103.

作者簡介：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、地球物理和自然資源調查工作。