地表浅层地震法探测技术研究

关仲波

（中国石油集团东方地球物理公司大庆物探一公司，黑龙江大庆163357）

随着我国城镇化进程不断推进，城市对地下空间的利用需求持续升高，而城市地表浅层地质构造的勘测成为地下空间利用的重要环节。城市内的自然地质环境对地质探测方法提出一定的要求，而且各种复杂的人为因素也加大了地质探测技术的难度。由于城市内存在各种类型的电磁波，同时建筑物内包含错综复杂的钢筋混凝土结构，电磁探测技术、电法探测技术等传统的地质探测方法均会受到干扰而无法使用。浅层地震探测技术可重构出地层下的地质构造图像，获取岩土物理参数和相关的地震波参数，不需要钻孔破坏地表结构，同时具备较高的探测效率和精度，适用于环境复杂的城市地区[1-2]。

1 浅层地震基本原理

浅层地震探测技术依靠人为干预产生地震波并分析其在地下储层中的传播过程，依照地震波频率、相位、振幅等特征参数的变化特点来计算预测地表浅层的具体结构，同时可对地下岩芯、土质的相关参数进行测量确定。

浅层地震探测技术通过人为方式在地表的某一个位置激励主动产生地震波，根据不同的地质构造，两种不同构造的分界面存在阻抗差异，当地震波传播至分界面时被反射回地震波激励点并产生振动。通过测量地震波在地层中的传播速度、发射反射所经历的时间和各个探测点的相对位置可计算得到分界面的地层深度、倾斜角度等具体数据。假设分界面的地层深度为h，地震反射波传播所经历的时间如式（1）所示。

式中：tf——纵波反射传播所经历的时间，s；

v0——地震波在地层中的传播速度，m/s；

x——震源和探测点之间的距离，m；

h——反射界面在地层中的深度，m；

t0——地震波在垂直方向上反射所经历的时间，s。

假设分界面的倾斜角度为θ，则地震反射波传播所经历的时间如式（2）所示。

2 浅层地震探测技术研究现状

浅层地震探测技术集中应用在利用地表浅层地下空间的城市区域，探测数据可作为城市的土地发展规划、建筑施工的基础依据。根据地震波的种类，浅层地震探测技术主要分为面波、S波和P波等类型。浅层地震探测技术刚开始发展时通常使用P波进行测量计算，较少使用S波进行勘探。由于面波可较好地规避P波所存在的技术缺陷，在勘探领域应用越来越广泛。随着地震拖缆技术的出现，S波地震探测技术开始具备较强的实用性，在现场实践中才出现大规模的应用。

在地表深层的含水区域通常采用P波反射方式进行地下结构的数据探测与图像重构，而对于地层中地质构造特征通常采用P波折射方式揭示。地表浅层地震探测通常采用P波的折射方式，P波主要在水平方向上传输移动，但是在地表浅层岩土结构中水平方向上地层特性不断变化，导致P波在浅层地质构造探测过程中会出现成像分辨率过低的现象。为了解决此问题，专家学者通过全波形反演、约束算法等技术对P波的速度模型进行改进，但未达到预期效果。

由于P波存在上述技术缺陷，20世纪八九十年代利用反向推演瑞雷波的方法计算S波在地表浅层的传播速度，通过几十年的深入研究与技术更新，逐渐发展变成地表浅层构造探测的基础技术方法，并且存在较大的发展空间。在实际测量中，通过获得瑞雷波的相关参数，得到其频散曲线，而曲线的特征值不但能够反映S波在地表浅层的传播速度数据，而且面波法获取的基础数据能够作为地层图像重构和结构特征表述的依据，对于技术人员全面掌握地质构造信息具有重要帮助。对于传统的地震探测技术，一般尽量减弱外部环境所产生的干扰波，但是对于新型地震探测技术，对干扰波进行收集并提取其中的有效信息，将这些数据作为探测的辅助信息。其中，将城市内产生的噪声作为激励信号发出地震波而获取相关信息成为目前研究的一个发展方向。

在过去的几十年中，专家学者对S波的研究较为分散，没有形成整体的理论体系，且研究成果没有达到较好的预期效果[3-4]。S波之所以没有得到广泛应用，主要原因是S波获取的数据质量无法得到有效的控制，技术人员也没有掌握探测经验。与P波相比，S波无法达到较深的深度，但是其在地表浅层岩土结构中的传播速度较低，有助于提高速度图像的成像分辨率，可探测地表浅层构造的具体细节。近些年随着地震拖缆技术的应用，S波探测技术也随之开始逐渐发展，得到越来越多学者的关注，在现场实践中获得更广泛的应用。

3 浅层地震探测技术最新进展

在浅层地震探测过程中，通过探测设备可获取大量的测试数据，然后通过相关的分析系统对测试数据进行整合处理，最后根据现场的实际情况对数据信息进行解释。近些年来，浅层地震探测技术的研究进展主要体现在探测装置、数据采集与处理、数据解释等方面[5-8]。

3.1 探测装置

在最近几年，陆地拖缆技术逐步发展成熟，并有效的改善了S波探测的局限性，促使S波在实际探测中的应用开始变得越来越广泛[9]。在20世纪70年代，学者就开始对陆地拖缆技术进行研究应用，但是现场应用并未取得良好效果，导致研究开始停滞。在20世纪90年代，城市建设的进程不断加快，道路多采用沥青或者水泥材质进行铺设。传统的探测技术采用发射接收勒夫波或者P波确定地质构造的原理，沥青、水泥这种硬质路面会对这两种波的传输造成阻碍或削减，而经过陆地拖缆改善后的探测技术可有效避免此问题，地震波不会受到硬质路面的影响，对于城市探测具有良好的适用性。从1995年开始，Inazaki公司共研发了5种不同种类的陆地拖缆装置，美国企业Bay Geophysical对其原理及特点进行分析，并提出了装置缺陷的解决方案。同时，LIAG机构、Ramboll公司、PFM公司、Montana公司、COWI公司等均对陆地拖缆设备的原理结构进行了研究设计，并完成了现场应用。

3.2 数据采集技术

传统的地震探测技术中需要在地面铺设大量电缆传输探测的地震波数据，不仅增大了探测成本，而且耗费人力物力，对地面交通等产生影响。数据无线传输技术节省了电缆铺设所产生的一次性投资，提高了数据采集的效率和便捷性。GEO SPACE公司研发的GSX数据无线传输系统占据了一定的市场份额，受到广大用户的一致认可。Wireless Seismic公司研发的RT System 2数据无线传输系统更新了网络传输的方式，在根本上实现了技术的重大突破进展，增加了数据传输通道的数量。

在传统探测技术中，地震波信号是通过线性扫描的方法进行数据采集的，而在数据采集过程中扫描频率与环境建造物的固有共振频率相近，使建造物发生大幅振动而被损坏。为解决共振问题，专家学者对伪随机扫描进行改进优化，成功降低了共振发生的概率，在一定程度上避免了共振所造成的建造物损坏。

为了提高数据采集效率，解决地震数据庞大难于传输的问题，压缩传感技术在地震数据采集传输方面受到相关人员的关注，应用越来越广泛。压缩传感技术在数据采集领域取得了革命性的突破，与传统采集方法不同，它基于非适应线性投影方法避免原始数据被破坏，以极低的频率进行数据采集并通过更准确的算法重构得到原始信号。

3.3 数据处理方法

外部环境的影响因素错综复杂，导致地震探测存在诸多的不确定性，同时对地震数据处理计算会得到不同的分析结果。为了降低不确定因素对地质重构结果地影响，采用地震探测数据与其他物探数据相结合的方式进行数据处理[10]。在浅层地震探测所采集的数据基础上，增加航空探测数据对原有数据进行补充完善，既引入了航空探测数据包含区域广泛的优势，又可解决浅层地震探测不确定性大的问题。

4 结论

基于浅层地震探测技术的基本原理和研究现状，分析浅层探测技术所存在的问题和发展方向，并总结浅层地震探测的最新研究进展。得到以下结论：

（1）浅层地震探测技术通过人为方式在地表的某一个位置激励主动产生地震波，根据不同的地质构造，两种不同构造的分界面存在阻抗差异，当地震波传播至分界面时被反射回地震波激励点并产生振动。通过测量地震波在地层中的相关参数可计算得到地下构造。

（2）浅层地震探测技术通常使用P波勘探，面波可规避P波缺陷应用越来越广泛。地震拖缆技术促使S波具备较强实用性。

（3）探测装置方面，传统的探测技术采用发射接收勒夫波或者P波确定地质构造的原理，沥青、水泥这种硬质路面会对这两种波的传输造成阻碍或削减，而经过陆地拖缆改善后的探测技术可有效避免此问题，地震波不会受到硬质路面的影响。

（4）数据采集方面，数据无线传输系统节省了电缆铺设所产生的一次性投资，提高了数据采集的效率和便捷性。伪随机扫描可解决传统探测技术中线性扫描所存在的共振问题，避免建造物发生大幅振动而被损坏。为了提高数据采集效率，解决地震数据庞大难于传输的问题，压缩传感技术在地震数据采集传输方面受到相关人员的关注，应用越来越广泛。

（5）数据处理方面，为了降低不确定因素对地质重构结果的影响，采用地震探测数据与其他物探数据相结合的方式进行数据处理。