横波地震探测应用实例

2013-08-07李洋森

物探化探计算技术 2013年3期

蓝星，李洋森，张玮，周武

（1.成都理工大学地球物理学院，四川成都 610059；2.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛 266100）

0 前言

地震勘探是使用人工方法激发地震波（弹性波），沿侧线布置地震仪器，根据组成地层的各种岩石或介质具有不同的弹性，当地震波在地层中传播时，其传播路径、旅行时间、波形、振幅等都将随介质的弹性以及地层界面几何形态的不同而发生变化，进而查明地下地质情况的一种传统地球物理手段。地震勘探应用领域广泛，具有精度高，分层详细，探测深度大等优点，在寻找石油、天然气、煤等重要资源普查中，发挥着重要的作用［1、2］。而在工程勘查中，地震勘探主要查明第四系覆盖层厚度及分层，基岩埋深及基岩面形态，以及存在不良地质构造的位置、规模、产状、走向等情况。传统的地震勘探方法主要是指纵波，而对横波的技术应用较少，这主要是因为横波的激发、接收和识别在相关技术上都要困难、复杂得多。近年来，各个省市的公路、铁路、勘察设计院等相关部门在研究地震勘探方法的同时，也相应做了一些关于横波反射的实验研究工作。但由于以上原因，横波反射勘探技术在工程领域的实际应用较少，我国在横波地震勘探的研究还基本处于起步阶段［3～5］。

横波波速低，波长短（某些地区横波波长仅为纵波波长的五分之一），在松散地层中的传播速度远远低于纵波，并且由于横波特殊的传播特性，可以不受地下水影响，对潜水面的松散层勘探很有利。基于以上优点，横波地震勘探成为一种抗干扰能力强、分辨率高的勘探方法，尤其在100m 以内的浅层勘探，需要查明多处较小地质体的情况下，具有传统纵波地震勘探所无法比拟的分辨率和解释精度［5～8］。

1 横波勘探基本原理

在缩胀力作用下产生的纵波，可以在固、液、气三种状态下传播。而横波是由剪切力产生的，在气体和液体中，介质的剪切模量为零，不能传播横波［9］，因此横波只能在固体介质下传播。而纵波的质点振动方向与波的传播方向一致，横波的质点振动方向垂直于波的传播方向，因而两者的偏振特性也成为纵波、横波的主要区别。

由相关的波动理论可得，弹性介质中纵波和横波的传播速度可表示为式（1）。

其中Vp、Vs分别为纵波和横波的传播速度；μ为介质的剪切模量；E为介质弹性模量；v为介质的泊松比；ρ为介质的密度。根据式（1）可知纵波、横波比为：

由于介质的泊松比的取值范围一般在0～0.5之间，因而有：

2 应用实例

2.1 工区概况简介

绵竹市汉旺镇是“5·12”汶川大地震的受灾极其严重的地区之一，为了抗震减灾以及今后灾后重建工作的开展，需要对当地的地质情况做一个比较系统的了解。而横波勘探作为勘探手段之一，也将对相应的地球物理特性做出评价。由于地震后该地区浅部地质信息相当复杂，因此横波勘探的高分辨率和高精度的优点能更很好地体现出来，为后期的科研工作做好铺垫。

2.2 野外工作方法评述

在震源上，应该要选择一块大小和质量符合要求的枕木，并且在枕木的底部钉上带有锯齿状的铁钉，以此保证枕木可以和地面有良好的接触，可以产生足够的剪切力，然后用24磅铁锤侧敲枕木作为触发。为了提高反射波的能量，一般采用多次敲击的方法，但过多的敲击次数也会降低反射波的频率，因此在保证反射波能量的前提下应尽量减少敲击次数。

本次勘探采用重庆奔腾数控技术研究生产的WZG—48A 工程地震仪器，检波器采用专门的横波检波器，全通带滤波。

施工测线一条，总长度为48m，采用六次覆盖观测系统，观测系统如图1所示。具体为中间放炮，炮间距1m，道间距1m，12道接收的六次覆盖系统。

2.3 资料处理

在进行野外数据采集后，需要对地震数据进行室内处理。目前国内尚无专门针对横波地震勘探资料研发的处理软件，横波资料处理常常采用纵波处理软件和流程，而横波地震资料又具有速度和频率都相对较低的特点。因此应在常规处理流程外，应对各方面的参数和流程进行精细测试、对比，以期达到更好的效果。图2（见下页）是常规纵波处理流程。

图1 六次覆盖观测系统Fig.1 Six cover observing system

图2 常规纵波处理流程Fig.2 Conventional longitudinal wave processes

在此基础上做好常规处理以外，还应该做好以下两点：

（1）精细静校正。由于受地表起伏，地表低速带等影响，野外的原始记录中的反射波有一定错动。为了消除这种错动，避免影响后续的叠加处理，降低资料质量，必须进行精细的静校正，以提高资料的信噪比。

（2）多次反褶积。反褶积是提高地震纵向分辨率的有效方法，其中包括最小平方反褶积、脉冲反褶积、地表一致性反褶积等方法。具体选择哪种方法则应该因地制宜，具体考虑。同时为了避免反褶积处理带来的信噪比降低的问题，应配合使用带通滤波，τ－p变换等。

2.4 资料解释

见下页，图3、图4分别是浅层地震横波、纵波单炮记录，中间激发，12道接收。

下页图5及图6（见后面）分别是反射地震横波、纵波F－K频谱分析。由图5及图6可看出，反射横波主频范围在40Hz左右，而反射纵波主频范围在60Hz左右。反射纵波主频大于反射横波主频。

野外采集的横波地震资料，经过上述的数字处理后，得到了经过水平叠加的时间剖面。图7（见后面）是处理后的浅层地震横波时间剖面。

剖面内地震反射波可见剖面层次清晰，分辨率较高：

（1）在20ms处附近有一单相位的波组基本水平且连续性较好，东段能量较西段稍强，定名为T1。

（2）在50ms处附近有一单相位波组，东段能量较西段稍强，西段分叉为两个弱相位，东段的连续性较好，定名为T2。

（3）在100ms处附近有一单相位波组，中间部份明显与东、西两端有错动，东段能量较西段稍强，定名为T3。

从图7中还可见，三段波组西高东低，呈现整体下降趋势。

图8（见后面）为对应工区纵波地震时间剖面，可发现二者在产状和深度上均有较好的一致性，但纵波波长较长，分辨率较低，相比而言，横波分辨率明显高于纵波，对于小型地质体和断裂破碎带的分辨识别能力较强。而再往下，由于横波能量穿透能力差，在其剖面上只有时断时续的波组，但是在纵波剖面上还有较为连续的两个波组，推测为强风化层和中风化层以及微风化层的分界面。结合地质资料，并根据相应的振幅特征、频率变化，速度关系可分层为：

（1）T1主要为粘土层，其横波速度在90m／s左右，纵波速度为450m／s。

（2）T2主要为夹杂着小块卵石的粉砂岩，其横波速度在250m／s左右，纵波速度为1 150m／s。

（3）T3主要为强风化砂岩和泥岩，中间部份有明显的断层，其横波速度在450m／s 左右，纵波速度为1 700m／s。

T1、T2、T3波所分别对应的深度约在3 m～4.5m、8.3m～9.6m、15.4m～18.5m。整体为西高东低的下降趋势，在20m 左右处地质构造运动较为强烈。

3 结论和认识

作者通过对横波地震勘探的理论探索及实际运用的研究，表明该方法是具有较高分辨率和精确度的浅层地震勘探技术方法。特别是对埋藏不深的第四系覆盖层及其下伏基岩的探测有着重要的意义，能较好地完成工程勘探任务。不过由于地震地质条件等诸多因素的限制，横波地震勘探也不可能解决一切地质问题。在进一步的研究和学习实践中，应注意以下几个问题。

（1）横波激发场地问题。横波是靠地面施加剪切力而产生的，松软的介质会产生塑性形变，锤击的能量被大量吸收。因此应选择在较为坚实的路面，锤击能量才能激发出较强的地震波，避免在软弱土层上施工作业。

（2）速度的求取问题。在实际生产中，由于种种原因，钻井资料无法覆盖所有目的层，不能得到全部实际地层的有效横波速度，满足不了需求。在这种情况下，合理利用反射纵波、折射波等其它勘探方法，联合多种地球物理手段，弥补横波勘探，取长补短，以期能达到效果、利益的最大化。而在速度的反演过程中，尤其当遇到实际情况比较复杂的地质条件时，应采用比较先进正演和反演计算方法，提高计算精度，以便获得更为可靠的结果。

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