高精度水域地震反射波法在厦门海域工程勘察中的应用

林朝旭

(福建省建筑设计研究院，福建 福州 350001)



高精度水域地震反射波法在厦门海域工程勘察中的应用

林朝旭

(福建省建筑设计研究院，福建 福州 350001)

厦门海域存在风化槽、孤石、礁盘及隐伏断裂等不良地质现象，为探明厦门市地铁1号线、2号线及3号线工程跨海段工程地质条件，选用了高精度水域地震反射波法。本文介绍了地震反射CDP叠加技术与分辨率影响因素，阐述了高精度水域地震反射波法技术特征、震源选择、数据采集、数据处理等方面的相关技术；论述了厦门海域各种不良地质体在时间剖面上呈现出不同的异常特征。通过工程实例说明高精度水域地震反射波法在进行岩土层划分、风化槽、孤石、礁盘及隐伏断裂勘察时，均可取得较好的勘察效果。

反射波法；CDP叠加；风化槽；孤石；隐伏断裂

1 引 言

随着跨江跨海水域工程建设项目的日益增多，地震反射波法在水域工程勘察中的应用也日益广泛，并取得较好的探测效果[1-4]。水域地震反射波法作为水域工程物探手段中的首选方法[5]，其分辨率如何？如何进一步提高其探测精度？到底能探明哪些不良地质体以及如何去辨识这些不良地质异常体？这方面的文章鲜有见到。笔者依托厦门市3条地铁工程跨海段水域物探项目，对高精度水域地震反射波法的技术特点及其在水域工程勘察中的应用效果，以及反映风化槽、孤石、礁盘及隐伏断裂等不良地质体的异常特征方面有了进一步的认识。

2 工程概况

为满足城市交通需要，厦门市先期规划了三条轻轨交通线路(简称地铁)。拟建地铁1号线跨海段位于厦门岛北部，南起高崎北路，北至集美南顺鳄鱼园，跨越高崎海域；地铁2号线跨海段位于厦门海沧湾境内，东起厦门同益码头，西至海沧湾大道，跨越海沧湾海域；地铁3号线跨海段位于厦门岛北部，南起厦门五缘湾，北至翔安区东界村，跨越浔江海域。三条线路跨海段位置(蓝色圈定)见图1。

工程区周边陆域以海积平原和风化残积层组成的台地地貌为主，海岸线曲折，港湾众多。覆盖层主要为第四系全新统长乐组冲、海积相的流塑状淤泥、淤泥夹砂、中密状细中砂类土为主，两岸近海附近发育少量龙海组二级阶地可塑～硬塑状黏性土。覆盖层底部发育有第四系上更新统龙海组褐黄色冲、洪积密实状粗、砾砂及圆砾土，两岸陆地局部发育坡、残积层。下伏基岩主要为燕山期侵入花岗岩、局部穿插石英砂岩与凝灰熔岩。

图1 厦门地铁1号、2号及3号线跨海段位置Fig.1 Crossing marine location plan of Xiamen MRT No.1 to 3

全、强风化厚度不均，厚度10～40 m，钻孔揭示风化槽内厚度可达30～40 m。在残积砂质黏性土与全～强风化花岗岩中，花岗岩球状风化体(孤石)较发育。

工程区处在罗裳山—筼筜港—港尾北东向断裂、南安东田—白云山北东向断裂与九龙江下游北西向断裂带及漳州—厦门近东西向构造带的交汇地区。本次工程物探目的是配合少量钻孔探明隧址海底地层的分布情况，追踪基岩面起伏变化，查明构造破碎带、风化槽及孤石等不良地质体的位置与规模，为隧址的选线设计提供依据。根据工程地质条件与勘察目的，本物探工程选用了高精度水域地震反射波法。

3 地震反射波法技术介绍

3.1 共反射点多次叠加(CDP)技术介绍

20世纪50年代W H Mayne提出了共反射点多次叠加技术，该技术又称为共深度点(CDP)多次叠加法[6-9]。此方法是建立在水平界面假设的基础上，将不同激震点、不同接收点上接收的来自同一反射点的地震反射信号，经过适当的正常时差校正后叠加起来，得到同一个反射点的叠加值。如图2(a)所示，以M为中心分别在地面T1、T2、T3及T4点激发，在对应的R1、R2、R3及R4点接收来自界面同一点(A)的反射波，把A称为共反射点，把R1、R2、R3及R4点接收道的数据从原始共炮点地震记录中抽出并组成的集合称为CDP道集(图2b)。水平反射层CDP道集的时距曲线为一条双曲线，经过正常时差Δt校正(动校正)后，将CDP道集反射波时距曲线(t1、t2、t3、t4)校正到t=t0的直线上，并通过叠加或累计产生一个单独的记录，动校正与叠加示意图见图2(c)。正常时差Δt计算公式如下式：

(1)

式(1)中：Δt为正常时差(s)；t0为法线反射时间(s)；V1为界面上部介质速度(m/s)；h为反射界面深度(m)。

覆盖次数取决于每次激震时接收点的数量和激震点间距，对于单边激震而言，覆盖次数n用下式确定：

(2)

图2 共深度点(CDP)叠加示意图Fig.2 Schematic diagram of common depth point stack

式(2)中：n为覆盖次数；N为采集记录地震道数；d为激发炮点每次移动几个道距。

3.2 反射波分辨率

地震反射波分辨率定义为反射波能够区别或辨识两个紧密接触并相互分离的地质体及其特征的能力[8]。在二维地震剖面上可分为纵向分辨率与横向分辨率。根据Rayleigh准则定义的垂向最大分辨率为λ/4,由公式(3)可知，纵向可分辨几何大小与反射波传播速度v成正比，与反射波频率f成反比，速度越小、频率越高则纵向分辨率越高，反之则越低。

(3)

式(3)中：RV为垂向最大分辨率(m)；λ为波长(m)；v为界面上部介质速度(m/s)；f为反射波频率(Hz)。

反射波的横向可分辨长度表示为第一个菲涅耳带半径，其大小可用公式(4)计算。

(4)

式(4)中：RH为横向最大分辨率(m)；t=2h/v，为双程走时(s)。由公式(4)可以看出，横向分辨率高低与地层深度、平均速度及信号频率有关，地层深度越浅、平均速度越小及信号频率越高则横向分辨率越高，反之则越低。

假设某一界面上覆地层平均速度为1600m/s，根据公式(3)与(4)分别计算出不同频率信号纵向、横向分辨率随深度变化情况(表1)。从表1可看出，纵向与横向分辨率均随频率增大而增高；当速度与频率为定值时，纵向分辨率为恒量，而横向分辨率随深度增大而降低。若要在水下分辨一个纵向尺寸大小为1 m的地质体，因水域土层速度基本大于1 500 m/s，故其信号频率必须大于400 Hz。

表1 不同频率纵向、横向分辨率对照表

综上所述，对于特定的工程，通过提高信号频率与降低反射波传播速度就能同时提高纵向分辨率与横线分辨率。因横波速度远小于纵波速度，故陆地浅层地震勘探常用横波反射代替纵波反射来提高分辨率就是这个道理；而水域不存在横波，纵波速度又为定值，因此只能通过提高信号频率来提高分辨率。但提高震源频率会降低探测深度，因此根据工程地质条件与探测目的，选择适当的震源非常重要。

4 高精度水域地震反射波法

高精度水域地震反射波法包含高密度激发与高密度接收。高密度激发可增加多次叠加次数，提高信噪比，改善叠加效果；高密度接收导致小面元叠加(叠加面元在长度上等于接收面元的1/2)，提高横向分辨率，改善地震剖面成像效果[9]。因此高精度水域地震反射波法核心内容是如何得到高分辨率与高信噪比的地震反射资料，贯穿数据采集与数据处理两个过程。地震数据采集主要由地震仪、震源及检波器组成，目前市场上的地震仪与压电式检波器(水听器)基本能满足高精度要求，数据采集重点工作在于选用合适的震源。数据处理重点在通过尖脉冲反褶积、子波整形等处理手段压缩子波，提高分辨率；通过多次叠加来压制随机干扰，以及通过预测反褶积或Radon变换来压制多次波，从而提高信噪比。在数据采集方面，高密度地震反射波法的主要特征是高密度、单检波器及高频震源子波，主要体现在高密度激发与小道距、小排列、单检波器接收。采用单检波器主要是减少组合检波器空间模糊效应，提高分辨率。高精度数据采集的数据量一般是常规地震的几十倍，因此会增加大量的外业数据采集工作量。

4.1 震源

高精度水域地震反射波震源必须具有重复激发间隔小、震源子波频率高、后续相位短、频带特性好、波形稳定 、容易控制等优点。目前最常用的水域震源是空气枪、水枪、电火花、BOOMER及浅剖震源，前面三者具有气泡效应且震源频率偏低；BOOMER震源频率特性较好，但能量稍弱；浅剖震源频率高、穿透深度浅，未能满足本工程的勘探深度。本工程要求震源有一定的穿透深度，分辨率高，激发间隔短，以保证较多的覆盖次数，因此采用了福建省建筑设计研究院最新研制的气动机械声波水域高分辨率浅层地震勘探连续冲击震源[10]，该震源主频在400～1 000 Hz，频带宽，余震衰减快，能量适中，脉冲特性好，激发时间间隔调整灵活(最小间隔1 s)，重量轻，方便携带，操作简单。

4.2 多次覆盖观测系统

为实现高密度激发与高密度接收，本工程选用水域走航式多道地震反射波方法，即在GPS制导下地震数据采集与物探点定位随着作业船行驶过程中同步、连续、动态进行，数据采集见示意图(图3)。导航定位仪器采用国产南方测绘双频RTK—GPS，RTK—GPS接收机载波相位差分能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。地震仪采用北京水电物探研究所的SWS-6地震勘探系统。接收采用24道水上漂浮电缆，道距1 m，偏移距12 m，采样间隔0.125 ms，记录长度128 ms，低切60 Hz滤波，激发时间间隔1.0 ms。通过控制发动机动力控制航速在1.8～2.2节，通过换算震源激发间隔为0.9～1.1 m，把激发间隔代入公式(2)计算正常叠加次数为11～13次，若把叠加面元长度从0.5 m扩大到1 m，则叠加次数翻倍，比一般常规地震勘探提高了几倍。

图3 走航式水域地震反射波法示意图Fig.3 Schematic diagram of marine underway seismic reflection

5 数据处理

要得到高精度地震时间剖面，数据处理重点通过尖脉冲反褶积、子波整形等处理手段压缩子波，恢复地震记录中的有效高频成分，提高分辨率[11]；通过线元叠加压制随机干扰，以及通过预测反褶积来压制多次波，从而提高信噪比。水域地震反射波地震数据处理流程与陆地大致相同，本工程主要数据处理流程为：

1)数据处理流程详见图4，其中关键步骤为速度分析、震源子波压缩、多次波压制及线元叠加。速度分析与陆地地震反射一样，通过速度扫描建立二维速度模型供动校正使用；水域地震反射多次波发育，本次利用预测反褶积与Radon变换压制或消除多次波；受水流、风力及作业船马力的影响，走航式地震反射波法各地震记录炮间距各不相同，采用线元叠加即消除了航速不均的影响，又可增加反射波叠加次数，提高信噪比与横向分辨率。

2)计算各地震道坐标、距离。航迹归—地震道号与坐标对应点输入—计算各道坐标、各道坐标投影到隧洞轴线或设计线上—计算偏离轴线距离—插值计算每个CDP点的里程桩号、偏离距；

3)在地震反射时间剖面上标注CDP点号与设计测线距离的对应关系，结合地质资料综合分析、判定异常并标注其位置。

图4 地震数据处理流程Fig.4 A flow for seismic data processing

6 成果解释

水域地震反射波成果资料解释工作主要是利用处理地震数据得到的各种地震反射时间剖面与速度等物性参数剖面，结合测区地质资料(特别是测线附近的钻孔资料及测井资料)，通过对地震反射波组的走时、频率、相位、强度及连续性等波形特征对比分析，把地震时间剖面转变为深度剖面，绘制出地质构造图，划分岩土层之间的界面，探明断层、风化槽及孤石等不良地质体的位置与分布形态。本工程叠加线元长度为1 m，即CDP道间距为1 m。下面就正常地层剖面与不良地质体物探异常剖面分别举例说明本次高精度水域地震反射勘探的探测效果。

6.1 正常地层解释

图5为正常地层反射时间剖面，在图上可清楚地看到4组能量较强、连续性较好的反射波同相轴，分别以蓝色、绿色、紫色及红色表示，综合地质资料推断各波组分别对应水底、淤泥层底、全风化花岗岩顶和中微风化花岗岩顶。在全风化花岗岩顶和中微风化花岗岩顶之间还存在断断续续的反射波同相轴，反应不同风化程度的岩层界面，由于成层性较差，本次勘探不做细分。各主要地层在地震反射时间剖面上显示清晰直观，分层准确度高，已被钻探资料证实。

6.2 物探异常解释

6.2.1 风化槽

图6为厦门地铁3号线跨海段JM-WT2线CDP点号1916～2678段地震反射时间剖面，图上红线表示基岩面沿测线的起伏变化情况，该路段基岩面起伏变化很大，埋深范围25～61 m；CDP点号1 980～2 070段与与2 260～2 500段出现基岩面出现明显的“V”或“U”字形凹槽，两侧基岩埋深浅，中间凹槽埋深大，凹槽底部经常伴有绕射波，根据其形态特征推断为风化槽。以地质构造学分析，风化槽也是推测断层破碎带的标志之一。从剖面上看，CDP点号2 260～2 500段风化槽规模大，基岩埋深大，风化厚度可达40 m。这种异常形态特征在其他剖面也多有见到，三条线跨海段共揭示风化槽11条，其中3号线风化槽7条。

图5 正常地层反射时间剖面Fig.5 Reflection time profile at normal layer

图6 风化槽反射时间剖面Fig.6 Reflection time profile at weathered ditch

6.2.2 孤石

在厦门地铁3号线跨海段JM-WT2线地震反射时间剖面上，在不同里程段共发现30多处绕射现象，绕射波的大小规模与能量强弱各不相同，综合地质资料推断这些绕射弧由花岗岩球状风化核(简称孤石)引起。绕射波的几何形态为双曲线，双曲线的顶点(绕射点)就是孤石的埋深。孤石绕射波具有以下特征：①同一埋深，孤石的几何尺寸越大，绕射弧的曲率半径越大，反之则越小；②同一尺寸的孤石，埋深越浅大，绕射弧的曲率半径越大，反之则越小[12]。绕射波在绕射点处能量最强，向两侧变弱；③绕射波振幅的强弱决定于孤石与周围岩性的差异，差异大则振幅强，反之就弱；④接收点与绕射点的相对位置也影响绕射波的振幅大小，若接收点位于绕射点正上方则能量强，反之能量弱。孤石特征的典型剖面见图7，在淤泥底面与中～微风化花岗岩顶面之间的时间范围内，在CDP点号1 280、1 390、1 450、1 470、1 520、1 610、1 690、1 730及1 775点号附近存在明显的不连续绕射弧(图中紫色线所指)，规模大小与埋深不一，推断强绕射弧为孤石或孤石群，弱绕射弧为全风化花岗岩中的强风化核。这种形态特征在轨道交通1、2号线跨海段分布较少。

6.2.3 风化槽与孤石共生

图8为厦门地铁3号线JM-WT2线CDP点号300～900段反射时间剖面，图中红线表示基岩面沿测线的变化情况，该路段基岩面起伏变化很大，埋深范围10～42 m；里程桩号620～650段出现明显的绕射波(紫色线所指位置)，根据其形态特征推断为风化核，具有明显的花岗岩球状风化特征，这种形态特征在其他剖面也多有见到。从剖面上看，里程桩号530～760段基岩面埋深深，两侧埋深浅，具有明显风化槽特征，因此推断为风化槽，风化厚度可达22 m。这种风化槽与孤石共生现象在大风化槽中时有发生。

图7 孤石反射时间剖面Fig.7 Reflection time profile at boulder

图8 风化槽与孤石共生反射时间剖面Fig.8 Reflection time profile at weathered ditch and boulder

6.2.4 礁盘

图9为厦门地铁3号线JM-WT5线CDP点号390～836段反射时间剖面，图中红线表示基岩面沿测线的变化情况，在CDP点号730～780段基岩露出水底，称为礁盘。根据类似工程经验，在礁盘位置地震反射波具有以下形态特征：①水底反射波能量强；②水底多次波发育，一般可见3～5次的多次波；③同相轴起伏变化大，并伴生大小不一的绕射波；④除水底多次波外，水底下部反射凌乱或出现空白区。本次物探共揭示礁盘5处，其中地铁2号线3处，3号线2处。

图9 暗礁反射时间剖面Fig.9 Reflection time profile at submerged reef

6.2.5 断层

断层的解释是反射地震资料解释的难点与重点，根据有关文献与类似工程经验，在时间剖面上断层位置地震反射波具有以下形态特征：①反射波同相轴或波组出现错断现象，而断层两侧波组关系相对稳定； ②反射波同相轴数目明显增加或减少，波组间隔突然变化；③反射波同相轴形状突变，反射凌乱或出现空白区；④发射波同相轴发生分叉、合并及扭曲；⑤来自中、微风化基岩顶面发射波组的双程时间明显增加，出现明显的岩面凹槽或岩面陡坎，并伴随出现绕射波与断面波[13]。图10为地铁2号线跨海段TJ-WT1线中部地震反射时间剖面图，在CDP点号1 560～1 740段反射波同相轴形状突变，发射凌乱，其左右两侧同相轴错断明显，综合地质资料推断为断层破碎带，破碎带范围如图中红线所示。在地铁2号线跨海段共揭示2条构造带，其他两条线路未揭示。

图10 断层破碎带反射时间剖面Fig.10 Reflection time profile at buried fault

7 结 论

通过阐述高精度水域地震反射法技术特点及其在厦门地铁1、2、3号线跨海段工程物探的应用效果，可以得到以下结论：

1)高精度水域地震反射法的主要特征是高密度激发、小道距小排列单检波器接收。

2)在保证探测深度条件下，选择高频震源可显著提高分辨率。

3)本工程针对性地选用高精度水域地震反射波法，归纳总结了厦门海域风化槽、孤石、礁盘及断层等多种不良地质体的物探异常特征，较好地揭示了地层分布情况及隐伏构造等地质异常体的分布位置，探测效果优良。

4)在探测风化槽、孤石、礁盘及断层等不良地质体方面，与其他物探方法及常规钻探手段相比，高精度水域地震反射波法显示了优越性。工程实践表明，在水域隧道、水域桥梁及水域管道工程勘察中采用高精度水域地震反射波法是一种非常有效的物探手段。

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The Application of High Precison Marine Seismic Reflection Method to Exploration in Xiamen Marine Area

Lin Chaoxu

(FujianProvincialInstituteofArchitecturalDesignandResearch,FuzhouFujian350001,China)

With unfavorable geological conditions such as weathered ditch, boulder, reef and buried fault in Xiamen marine, high precison marine seismic reflection method is carried out to explore marine engineering geological condition in Xiamen MRT No.1 to 3. This paper introduces the technologies of CDP stack and influence factor for resolution, expounds the character of high precision marine seismic reflection method, seismic source selection, data acquisition and data processing, and discusses the different abnormal characters in seismic time section under all kinds of unfavorable geology. The engineering application results show high precision marine seismic reflection is an effective method in exploration of strata classification, weathered ditch, reef, boulder and buried fault.

seismic reflection; CDP stack; weathered ditch; boulder; buried fault

1672—7940(2016)01—0052—08

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.01.009

林朝旭(1973-)，男，高级工程师，主要从事工程物探及地震数据处理工作。E-mail：625995459@qq.com

P631.4

A

2015-10-09