散射波地震勘探技术在浅表层结构精细勘查中的应用研究

虞 立，王国群，袁忠明，周肃文

（1.中国石油化工股份有限公司石油物探技术研究院，江苏南京 211103；2.江苏省地质勘查技术院，江苏南京 210008）

地震波散射的观测和研究始于20世纪60年代末，到80年代地震波散射已成为一个非常活跃的研究领域。截至目前，国内外关于地震波散射的理论研究已取得了很大进展，研究认为地震波散射是探测地下介质三维非均匀性的有力工具［1］。

散射波和反射波在波场特征、运动学和动力学特征等方面都存在差别，导致在资料采集、处理和解释技术方法的选择以及所能解决的地质问题等方面都有所不同［2］。总的来说，散射波地震勘探方法及其相关技术的研究与应用才刚刚起步，公开发表的应用研究成果不多。在金属矿勘探领域，徐明才等［3］在蔡家营多金属矿区开展了散射波地震方法的试验研究；尹军杰等［4］在铜陵某矿区应用散射波正演模拟指导金属矿地震数据采集的观测系统设计，对所获数据进行了基于等效偏移距的共散射点成像处理。在工程勘查领域，赵永贵等［5－6］提出了基于散射与反射混合模型的隧道地震超前预报技术（TST）；张卿等［7］应用TST 技术较好地解决了贵州岩溶地区隧道施工过程中基本地质要素和灾害性地质对象超前预报的难题。而在油气勘探领域，有关散射波理论应用研究的侧重点则多在于如何估算并消除复杂地区地震资料中近地表散射噪声的影响［8］。

对于浅表层精细勘查来说，需要解决的地质问题主要是复杂地质构造（如陡倾角、多断裂、横向非均匀性较大的构造）和小尺度的非均质体（如岩溶、矸石、采空区、滑动面、岩石孔隙）等。而表层介质的不均匀性最强、结构最复杂，是散射源的主要分布区域，高陡山地陡峭地形、不同物性介质的交界面、溶洞、裂缝、凹凸不平的低降速带底界等都是表层主要的散射源。在这种情况下，反射波地震勘探方法往往受困于低信噪比问题难以奏效，而采用散射波地震勘探技术来研究复杂的浅表层波场特征更具其合理性与针对性。

我们在简要阐明地震散射波原理的基础上，系统介绍了地震散射剖面法（Seismic Scattering Profile，SSP）数据采集、资料处理和成果解释等技术要点，给出了SSP 法在某隧道路线方案比选工程勘查中的应用实例。选择实际SSP 资料典型剖面解析地震散射成像揭示的异常特征，对局部非均匀体、层位界面和多次反射进行了详细论述。散射波地震勘探技术在工程勘查实际应用中取得的研究成果，有望为油气地震勘探中低信噪比地区复杂近地表结构的精细地质调查提供参考和借鉴。

1 散射波地震勘探技术

1.1 散射波理论基础

当地质界面尺度远大于地震波波长时，地震波传播遵从层状介质中的反射理论，反射波能量强，并沿着反射角等于入射角的方向传播（图1a）。反射纵波的波动方程为

式中：U为纵波位移；vP为纵波速度。当地质界面的尺度小于地震波波长时，地震波的传播遵从散射理论，不再具有单一的方向，而是以散射点为中心向四面八方传播（图1b）。在Born近似下，散射纵波的传播方程为

其中，US为散射波位移；UI为入射波位移；α（x）代表波阻抗异常的分布；v0代表介质的区域背景波速。

方程（2）表明，散射波方程是一个被动源方程，在外界振动的激励下，波速异常体向周围发散地震波，这就是散射波的物理基础。

图1 反射理论（a）和散射理论（b）示意模型

地震勘探共炮点记录中反射波与散射波的走时t分别遵从如下方程：

方程（3）为反射波走时方程；方程（4）为散射波走时方程。其中，h1为反射界面埋深；h2为散射点埋深；v为波速；ti为入射波走时；t0为最小走时。

1.2 地震散射剖面法（SSP）

当地震波入射到地下时，地下介质中反射波和散射波同时存在，用单一的反射理论或散射理论来描述地下介质的空间结构都是不全面的。地震散射剖面法（SSP）以地震散射理论为基础，通过反射与散射的混合模型来解析地下空间结构，有利于提高浅表层小尺度离散地质体勘查资料的信噪比和分辨能力。

1.2.1 SSP数据采集

SSP地震散射剖面法的野外数据采集可以是三维面积观测，也可以是二维剖面观测。其观测系统设计与地震反射波测量方法类似，但是对激发和接收点间距及排列长度有特定的要求。常用的二维剖面观测有两种采集方式：一种是大排列方式；另一种是滚动方式。

大排列采集方式适合地震记录仪器通道数较大的情况。检波器沿测线等间距布置，检波器间距小于面波波长的1／4，排列长度大于2 个面波波长，以便满足滤除面波的要求。从排列一端到另一端等间距布置激发点，激发点间距为检波器间距的2倍，排列两端偏移2～4个激发点。对于较长的勘探剖面，可以采用多个大排列首尾相接，相邻排列间保证足够长的偏移覆盖距离作拼接（图2）。

图2 SSP大排列数据采集方式

在地震记录仪器通道数较小的情况下可采用滚动采集方式。检波器等间距排列，激发点设在排列一端，一直保持两个检波器距离的偏移。完成一个点的激发后，检波器与激发点同步向前移动，移动距离为两个检波器间距。

1.2.2 SSP数据处理

反射理论与散射理论对于地震记录的定义是截然不同的。反射理论认为地震记录是发射点与接收点中间剖面的反射；而散射理论认为地震记录是发射点与接收点间椭球面内散射信号的等时程叠加（图3）。所以，散射理论与反射理论的资料处理方法也是不同的。在散射波资料处理中没有CMP和CDP 的概念，而是以射线为基本单元，用叠加能量最大化原理确定扫描速度，以偏移成像作为主要处理方法［6］。

图3 反射理论（a）和散射理论（b）对地震记录的定义

SSP数据处理包括方向滤波、速度扫描和地质体偏移成像等3个主要步骤。

1）方向滤波。方向滤波是利用不同方向传播的地震波在观测记录中具有不同的视速度这一特征来实现波场分离，因此也称视速度滤波。SSP技术采用F－K 变换来进行方向滤波，滤除地表面波和直达波，保留地下反射波和散射波。很多地下孤立地质体的散射信号很弱，如果不采用方向滤波滤除面波干扰，这些地质体的响应很难突显出来。

2）速度扫描。SSP速度扫描是利用叠加能量最大化原理，即当扫描速度接近地下介质真实波速时，由同一点发出的散射波的能量叠加出现极大值。这一方法与反射地震速度谱分析的原理类似，不同的是在反射地震数据处理中使用CDP 或CMP道集，而SSP使用的是共散射点道集。其计算公式为

在速度扫描计算中，首先设定速度可能的最小值和最大值以及扫描中速度的增量值（一般取最大值与最小值之差的1／10）。对于扫描中的每一速度值都会得到叠加能量，做出速度－能量曲线，曲线的极值即为真实的地下介质波速。SSP 数据包含了不同偏移距的资料，基于SSP 叠加能量最大化原理，同时考虑反射层和散射点，判断速度最优值。

3）散射成像。SSP偏移成像使用的资料是经过方向滤波处理后的地震数据和速度扫描得到的初始速度分布，采用基于Kirchhoff积分的合成孔径成像技术对地下介质的散射强度进行成像，获得叠前深度偏移剖面。在Kirchhoff积分中包含了反射和散射等所有地震波场及其不同的走时规律，有效解决了反射与散射同时存在的问题。合成孔径成像技术的Kirchhoff积分可以表达为观测曲面内所有炮点记录的积分：

式中：α（r）为散射成像目标，即表征岩土介质力学性状的散射强度；rs和rr分别为发射点与接收点的位置；ga和gb分别为入射与散射能量相对应的几何补偿函数；v为由（5）式和（6）式联合求取的偏移速度。

1.2.3 SSP资料解释

地震散射SSP叠前深度偏移剖面的物理意义与反射地震法的叠前深度偏移剖面有所不同，其解释主要依据以下准则：根据偏移中地震波的走时信息确定散射体的位置；根据散射强度成像的极性与幅值确定介质的力学性状，即模量的分布特征——散射强度的极性为正表示异常体波速高、模量高、强度高，散射强度极性为负表示波速低、强度低（松散），散射强度正、负幅值的高低则表示介质中存在变硬或变软的界面（异常体），数值越大其软、硬差异越大。

2 工程勘查实例

某隧道路线方案比选工程勘查的地质任务是查明沿线第四系覆盖层厚度、基岩埋深及起伏形态和浅表层地质构造发育情况，探明工区内不良地质现象和确定沿线地下是否有障碍物存在及其分布情况，从而为隧道的建设施工提供物探依据。

项目设计要求勘查最大深度为80m，原计划采用高密度电法和反射地震勘探方法相结合的综合物探方案对隧道穿越地段进行勘查，但高密度电法因受场地条件和装置限制不能达到目的深度；反射地震法也因复杂地表问题和不能采用炸药激发方式增加震源能量等原因未能取得理想效果。从反射纵波勘探的单炮试验记录（图4）可见，反射波有效信号的信噪比很低。

图4 反射地震纵波勘查单炮记录

鉴于本次工程勘查是将地质调查、工程钻探与工程物探同步开展的实际情况，决定在高密度电法勘查的基础上，开展散射波地震勘探技术的应用试验研究，以期在通过物探方法补充与完善钻孔之间浅表层地质资料的同时，通过地质调查和工程钻探的成果资料来验证散射波地震技术的应用效果。

2.1 工区概况及地震地质条件

勘查工区属低山丘陵区，地貌形态比较复杂。测段穿越某山脉西延尾端丘岗，山势呈椭圆形，有山埠7 座，树木茂密，地形高差较大，最大高差近60m，局部地区地形较陡，最大坡度在45°左右，地震施工难度较大。

测段沿线表层覆盖层厚薄不一，主要为性质良好的粘土，部分出露。岩层主要为浦口组的泥质砂岩、砂岩、砾岩，具体岩相表现为褐红—砖红色泥质粉砂岩、含砾粉砂岩（局部间夹薄层泥岩），砖红色间灰黄色砾岩。泥质粉砂岩、含砾粉砂岩总体胶结较差，岩体强度较低，遇水软化；砾岩胶结较好，强度较高，岩性变化较大。

浅表层岩层倾向多为北东向，倾角为13.0°～21.3°；岩体以钙质、砂、泥质胶结为主，胶结程度较好，强度较高；卵砾石含量达80%以上，卵砾石粒径一般为2～15cm，最大可达75cm，卵砾石成分较为复杂，主要为石英砂岩、灰岩及少量安山岩、凝灰岩，次磨圆—次棱角状。岩体局部夹有薄层泥岩或泥质砂岩，在后期内外应力的作用下，可见有小型错落现象，产状近似垂直，最大错距为15～55m。

2.2 SSP数据采集与处理

根据施工场地条件，本次工程勘查的SSP 数据采集采用大排列拼接形式。采样率0.125ms，记录长度0.8s。震源采用18磅大锤人工敲击叩板，激发点距为6～8m，检波器为100 Hz纵波检波器，埋入深度20～50cm，道间距3m，叠加次数15～20次。

对采集的数据作了上述3个主要步骤的SSP数据处理，给出的最终成果剖面为叠前深度偏移剖面。

2.3 SSP异常特征解析

以本次采集的D2测线的SSP叠前深度偏移剖面（图5）为例，解析本次隧道路线方案比选工程勘查的SSP异常特征，以检验地震散射波勘探技术用于浅表层结构精细勘查的可行性及其应用效果。

由图4和图5可见，在地表和地下地质条件及震源能量基本一致的情况下，采用常规反射波地震勘探技术难以取得满意的效果时，利用散射波勘探技术成功取得了目的深度以下的有效地质信息（图5剖面显示的最大深度为150m）。为了甄别SSP技术所获150m 深度内信息的可靠性，采用同期开展的地质调查和工程钻探成果对SSP异常进行对比解析（图6）。

先从纵向上作对比分析。由地质调查和钻探资料可知，探测区间埋深80m 内由表及深岩性依次为填土（薄层）、泥质砂岩（较薄层）、砾岩层（厚，夹破碎砾岩薄层）、砂岩层。从图5的特征看，由地表到最大探测深度150m 之间大致可以分为3层：中间近乎纯黄色部分与钻探揭示的砾岩层相对应；底部的粗条纹与砾岩层下的砂岩层相对应；而浅表层的条纹特征与底部的条纹相比较细，且规律性略差，推论SSP 对填土和泥质砂岩薄层分辨率较差。关于测段末段局部的砂岩层分布，可以通过砾岩层特征（纯黄色图像）的突然变化来解释。图5剖面中红蓝（或黄绿）条纹相间是岩性密实度变化的反映，也就是模量变化的表现，岩性密实度变化越大，地震散射强度变化也就越大。

再从横向上作对比分析。图5剖面中出现3处局部红蓝条纹相间的图像特征（即图5中的A，B，C），这与地质调查和钻探揭示的总体形态一致但略有差异，根据地震散射理论推断在填土层下存在岩层局部破碎。对比图7 所示高密度电法成果剖面上的3 处异常显示（即图7 中的A，B，C），可见两种方法所探测出的局部异常位置对应较好。SSP成果为解释高密度电法“凹形低阻”的A异常提供了很好的佐证，即局部破碎且含水量较高。

以图5剖面中特征最为显著的“A异常”为例，分析SSP异常的垂向特征。在“A异常”下方近乎纯黄色部分的砾岩层中出现黄绿相间条纹，在砾岩层与其下粗条纹的砂岩层结合面上、下开始出现红蓝相间条纹，根据地质调查和钻探资料分析，不可能存在约40m 宽的垂向破碎带，推断这是由填土层下伏泥质砂岩局部破碎所引起的多次反射干扰波。而“B异常”多次反射干扰同样存在，“C异常”多次反射干扰特征不明显。推论浅部异常信号越强，多次反射干扰波越明显。通过这些多次反射的特征分析可以推断，砾岩层与砂岩层结合面上、下出现红蓝相间条纹的起始点即为岩层分界面。同样以“A异常”为例，在其下方较深处红蓝相间条纹的左侧也出现零星红蓝相间点，与“B异常”多次反射红蓝相间干扰特征的起始点深度基本一致，且具有线性关系。

图7 高密度电法剖面

3 结束语

地震勘探所研究的对象既有如岩性分界面、断层等中深层的大尺度反射界面，也有如岩溶、采空区、孤石等浅表层的小尺度离散地质体，基于反射与散射混合模型的SSP法对于浅表层小尺度离散地质体的精细勘查具有独特的技术优势。

隧道路线方案比选工程勘查实例应用研究的SSP异常分析解释结果表明，在地表和地下复杂程度及震源能量基本相同的情况下，SSP资料的探测深度和信噪比均优于常规反射地震资料。通过与同期开展的地质调查和工程钻探资料进行对比，结果表明了SSP法所获信息的可靠性与准确性。散射波地震勘探技术的工程勘查应用实例取得了较好的探测效果，对油气勘探中低信噪比地区复杂近地表结构的精细地质调查具有现实的参考意义。

散射波地震勘探技术的研究与应用总体上还处于起步阶段，目前公开发表的应用研究成果还相对较少，其数据处理技术尚有待不断完善，成果解释的思路仍需不断探索与总结。我们相信随着研究的不断深入和应用的不断推广，散射波地震技术必将在解决复杂地质勘探问题方面发挥积极的作用。

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