地震横波勘探在城市浅层地质调查中的应用

2017-04-12李建宁胡泽安丁美青王小明

淮南职业技术学院学报 2017年1期

关键词：检波器横波测线

李建宁，胡泽安，丁美青，王小明

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001）

地震横波勘探在城市浅层地质调查中的应用

李建宁，胡泽安，丁美青，王小明

（安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南232001）

探查地下岩土层结构及构造发育状况，是城市浅层地质调查一项重要的工作内容。横波勘探具有垂向分辨率高、受地质条件影响小等优势，因此被广泛应用在城市浅层岩土勘查中。文章以福建某市城区横波勘探为例，分析城市中激发震源的能量大小、硬质路面的检波器安置等因素，进行浅层地质调查，探测结果表明松散层与基岩分界面反射能量强，而断层破碎带处反射信号同相轴缺失、错位且杂乱，易于分辨。结合钻孔揭示结果，表明横波勘探方法可在浅层地质勘查中发挥良好作用。

横波勘探；城市地质调查；浅层岩土分层；断层破碎带

1 引言

地震反射波法作为一种快捷且有效的地球物理勘探方法被广泛应用到矿产资源勘探、工程地质勘查、城市地质调查、海洋地震勘探、考古等地质调查工作中。在反射波中横波与纵波相比，具有传播速度低、频率低、受干扰影响小等优点，因此横波勘探有着比纵波勘探更高的垂向分辨率以及对复杂地质条件更好的适应性，这在城市浅层地质调查中具有重要意义[1-3]。

最近几年，国内研究与实践表明，标准的横波采集和处理在纵波反射勘探效果不佳的浅层岩土勘探中较为有效。但目前横波勘探以应用实例为主，而理论研究较少。陈国玉（2014）、陈相府（2007）[1-2]主要利用横波法探测精度高、受含水层影响小的优点，进行第四系松散层的层序划分与厚度探测，并取得了较好的效果，为城市浅层岩土分层提供一种可靠的方法；马董伟（2015）、赵富有（2008）、徐白山（2007）[3-5]利用横波法探测城市浅层断层、破碎带及含水洞穴，并与其他物探及钻探结果相结合，进行综合解释；李颜贵（2014）、王小江（2010）[6-7]利用纵横波联合勘探方法，发挥纵波探测深度大以及横波精度高的优势，弥补单一方式勘探的缺陷。本文以福建莆田市浅层地质调查项目为例，在城郊地区进行横波勘察，讨论其影响因素，分析横波反射法在浅层分层与构造异常体探查中的可靠性，为同类地质条件探查施工提供参考。

2 横波勘探原理

地震横波法是一种利用地下不同介质之间的波阻抗差异，在界面上产生反射横波的一种地球物理探测方法。其原理如图1，主要是在垂直于测线的方向上施加水平冲击力，以形成向下传播的SH波，SH波从界面反射后到达地面，被灵敏轴垂直于测线布置的水平检波器接收。

当入射波为SH波时，在反射界面上，只会产生同类反射波，而不会产生转换波，因此SH波反射波波型简单，且由于这种波的入射线和反射线对称，与常规纵波反射时距曲线有相似特点，因此它的数据采集、处理方法及流程与纵波勘探也基本相同[8-11]。

图1 反射横波法工作原理示意图

3 现场探测分析

3.1 探查区地质地球物理条件

本次试验地段位于福建某地城郊区域，地处平原，地表总体为西南高东北低，地面上河流与小池塘较多，浅层激发条件较为理想，但房屋密集，部分测线布置于村中水泥路上，路面的高速屏蔽影响了勘探深度，对实际勘探施工较为不利。

根据区域地质资料，本区浅层地震地质条件可大致分为浅部松散层与深部基岩层两个部分，浅部为第四系的冲积土，覆盖层厚度受新构造运动影响，厚度差异较大，波速较低；深部为火成岩类坚硬岩组，密度与波速较浅层相比有很大提升，两层间波阻抗差异明显，可能形成较为强烈的反射。基岩中的断裂构造中断层处裂缝处风化作用强烈，在基岩面上产生风化槽，使得局部地区上覆土层的厚度增大。测区范围全、强风化厚度不均，平均厚度10-40 m，揭示风化槽内厚度可达30-40 m。深部火成岩没有明显的分层，全线基岩面的上覆土层厚度不均。

3.2 城市地区横波勘探的影响因素

3.2.1 震源能量

在实际工程应用中，锤击震源由于其成本低、操作便捷、环境适应性强等特点，成为浅层地震横波勘探中使用的主要震源。但是锤击震源也存在着震源能量不足、稳定性较差等缺点，而在水泥路面横波因其频率高，衰减较快，当排列长度过长时，排列远端的信号能量过小，将无法满足采集的数据所需的信噪比要求。因此，采用与震源能量相匹配的排列长度才能得到质量较好的地震数据。

图2为试验采集的单炮记录。试验排列布置在硬质路面上，采用48道检波器接收、道间距与最小偏移距均为2 m、总排列长约100 m，激发震源为24磅大锤与可控震源。从图2（a）中可以看出，在前24道中可以看到较为清晰的直达波与反射波，采集的数据质量较高，而从第24道以后的数据信噪比明显降低，有效信号难以被识别，这无疑会加大后期数据处理的难度。因此在实际的硬质路面横波勘探中，使用锤击震源的排列长度不宜超过50 m，若要增加排列长度，则需改用能量更强的落重方式以及可控震源。

（a）锤击震源

（b）可控震源

图2（b）为可控震源单炮采集记录，采用机械震源，能量大，一致性好，震源远端信号效果仍然较明显，反射波同相轴清晰，采集的信号信噪比高，数据质量较好。

3.2.2 检波器耦合

由于在城市中勘探场地以硬质路面为主，在测线布置时需选择一种既方便携带与使用，又与地面耦合效果较好的检波器安置方式。目前在实际工程勘察应用中，主要采用令检波器直接与地面接触和在压实泥袋内安置检波器两种方法，这两种方式具体单道采集信号如图3。其中1道为令检波器直接与地面接触时的采集信号，2道为在压实泥袋内安置检波器时的采集信号。

图3 检波器安置方式信号对比图

从图中信号可以看出，2道信号中直达波能量与1道信号相同，但反射波能量远高于后者，说明水泥路面对反射波的能量吸收较大，高频信号衰减较快，而在压实泥袋中安置检波器能够明显增强反射地震信号的能量，起到压制噪声，提高优势信号频带信噪比的作用。但在实际应用施工中，当测线较长、工作量较大时，泥袋安置方法的效率太低，因此在硬质路段可以采用石膏耦合的方式，尽量保证检波器所接收的数据质量。

3.2.3 地表一致性

在实际野外采集地震数据中，影响地表一致性的因素主要为介质差异与地形差异，介质与地形的差异不仅会对记录产生时移，而且还会改变地震反射的振幅、频率和相位，使得地震记录的子波存在一定的差异，影响后期数据处理的准确性[12-14]。

在现场地震数据采集时，应在保证探测线路偏移不大的情况下，尽量将测线布置在地表介质相同或相似的地段，详细记录地表介质与地形变化较大的地点，以便于后期进行地表一致性相位校正与反褶积。

3.3 数据采集

现场探测时结合场地条件进行施工，地震仪使用美国SI仪器公司生产的S-LAND全数字化地震数据采集系统，检波器为日本OYO公司生产的28Hz横波数字检波器。震源为WTC5060TZY型纵横波两用可控震源车。本次地震勘探采用单边排列，通过现场试验选取的参数如下：最小偏移距2m，炮间距8m，道间距2 m，48道接收，6次覆盖观测系统，采样间隔0.5 ms，采样点数为4K，横波的激发方向与横波传播方向及检波器最大灵敏度轴一致。观测系统示意图如下图4。

图4 观测系统示意图

3.4 资料处理与解释

现场经过施工完成2条测线，资料处理时经过原始信号格式转换、震幅恢复、地形静校正、速度分析、动校正、水平叠加等步骤，获得相应的叠加剖面。试验测区浅部土层横波速度较低，约为300-600 m/s；深部基岩层横波速度较高，达到1 000-2 000 m/s。根据横波垂向分辨率计算方法，浅部地层最多可以分辨厚度为1 m左右的地层。

图5 测线1反射地震剖面图

图6 测线1综合地质剖面图

图7 测线2反射地震剖面图

图8 测线2综合地质剖面面

图5为勘探测线1横波地震时间剖面，分析剖面内的波形相特征，可见剖面上层次清晰，分辨率较高，自起点处250 ms向终点方向逐渐减小至200 ms左右处可见一清晰的同相轴波组，连续性较好，且在测线中部550 m-650 m处同相轴反射时间较大至270 ms左右，定名为T1波。另在170 m处同相轴缺失和错位，圈定为F1异常。在测线中部330 m-500 m之间，反射波信号连续性较差，同相轴缺失和错位并且信号杂乱，圈定F2-F3异常带。

图6是经过时深转换后得到的综合地质剖面解释图，依据上述分析，浅部土层速度取值为300-400 m/s时，进行时深换算可得本测线基岩面起伏形态，经波阻界面与测线上钻孔ZK7、ZK129和ZK127进行对比确定T1为基岩与第四系土层间较强的反射同相轴，第四系土层的厚度在20m-35m左右，主要为粉质粘土与淤泥质粘土，以及部分地区存在砂卵层；测线中部600 m处可见一明显的风化凹槽，其深度可达35 m-40 m。F1根据区域地质资料与钻孔比较可判定为断层，F2-F3之间为明显的断层破碎带。

图7与图8分别为测线2的地震时间剖面和综合地质，可见一反射波同相轴T1波，其双程反射时间在100-250 ms之间,初步推断为基岩面反射，根据浅部土层横波速度推断，基岩面埋深在10 m-20 m之间，测线中段700-800 m处，可见一反射波杂乱区域，推断为断层构造带。综合两条测线结果可以看出，横波勘探对城市浅层岩土层及断层破碎带反应较为敏感，效果较好。