基于人工震源的浅层地震勘探研究

徐昊 杨煜坤 宋炯 任堃 吴翰 张震 郑冀川

摘 要：地震勘探是一种重要的地球物理勘探方法，本文介绍反射波法地震勘探的基本原理和技术要点，并以天津武清地区的浅层地震勘探为例，重点探究了浅层反射波法地震勘探的原理及其在工程地质勘察中的应用效果。通过试验研究结果表明，其不仅可以充分发挥浅层地震反射波法的优势，在工程地质勘察中具有良好的应用前景。

关键词：人工震源；反射波法；浅层地震；试验研究

1 概述

地震勘探是基于地下介质弹性和密度的差异，利用人工激发地震波并通过观测和分析其在地球内部的传播规律，研究推断地下地质构造和地层岩性特征，从而达到勘探目的［1］。地震波是由人工震源激发的弹性振动在地球介质内部及其表面传播的扰动，根据传播位置地震波主要分为体波和面波两大类，体波可分为质点震动方向与波传播方向一致的纵波和质点振动方向与波传播方向垂直的横波，因为纵波具有在激发与接收方面相对容易的优势，所以目前地震勘探主要是以纵波勘探为主。根据波的传播规律，地震勘探分为反射波法、折射波法、面波法和地震测井方法。纵波反射波法（以下简称反射波法）是地震勘探工作中运用最为广泛的一种勘探方法，可用于陆地和海洋［2］。

2 方法原理

反射波法地震勘探是将反射纵波作为有效波来开展探测工作，根据依据地下介质在物性差异界面上地震波的动力学以及运动学特征，探测地层或者基岩的埋深及其速度结构，具有分辨率高、探测结果可靠等特点［3］。

人工激发地震波在地下传播的过程中，遇到不同波阻抗（地下介质速度和密度的乘积）地下介质的分界面时，通常会分成两部分，一部分继续向下传播称为透射波，一部分向上返回到第一種介质中称为反射波，利用地震仪器设备对返回地面的反射地震波数据进行记录。在野外工作时，每次激发只能在某条测线的地段上接收，将一次激发多道检波器接收的观测地段称为排列。为了能得到整条测线上连续和完整的地下反射资料，必须按一定的规则来部署激发点与接收排列和进行观测，并且为压制多次反射波之类的特殊干扰波，有规律地同时移动激发点与接收排列，建立多次覆盖观测系统。为避开激发点附近面波和声波的干扰，在实现此过程主要应用相同的偏移距激发和接收地震波，以完成测点波形的记录工作，在这种方法下接收到的有效波往往具备良好的信噪比和分辨率［4］。反射波在地下的传播过程中，其传播途径和波形等随着地下介质不同的结构、性质等发生变化，在这个过程中主要收集地震波的反射速度，以此来获取地层结构的相关数据，此外在明确反射波频率和速度等基础上可以实现对地层和岩石性质的判断和推测，其中主要包含地质体沿不同方向变化的具体情况，以此来实现地质勘探的目的［5］［6］。

3 试验研究

3.1 试验区概况

3.1.1 试验区位置

本次试验区域为天津市武清区与廊坊市广阳区交界处（图1），地处华北平原的北东部和海河流域下游，为下沉运动和河流的冲积物的填充，形成了微度的起伏的冲积平原。地面平缓而倾斜，海拔的高差不大，研究区所在农田内，试验区内第四系覆盖较厚，未见基岩出露。

3.1.2 试验区地球物理特征

地下介质有一定厚度的地层和相邻地层形成明显的波阻抗差异，是进行浅层地震勘探的前提条件。第四纪覆盖层、砾石层与基岩层之间的波阻抗和波速存在较大差异，且各层都具有一定的厚度，可以形成反射界面。当疏松的覆盖层富含水时纵波（P波）波速明显增加，潜水面是一个明显的波阻抗界面，这些地质条件都为地震勘探提供了良好的物理条件。

（1）低速带。研究区内的低速带主要是第四系沉积物，表层主要为土壤层，从前期资料来看，第四系沉积物很厚，土壤层的压实程度一般。

（2）含水层的位置。研究区未进行钻探，具体含水层的位置未知。研究区一般为基本农田，降水丰富，含水层的位置较浅。

（3）浅层地质剖面的均匀性。从区域地质概况来看，第四系埋深较厚，区内浅层地质剖面较为均匀。

3.2 地震采集仪器设备

本次陆地反射法地震勘探试验使用的是美国Geode地震仪。此设备是目前同领域探测设备重量最小、最灵活和性价比最高的设备，适于野外作业。该采集系统包括Geode采集单元、数传电缆和模拟电缆，仪器主机主要技术指标见下表。

此次开展浅层反射波地震勘探试验，我们采用自然频率比较高的100Hz组合检波器接收。目前，陆上地震勘探最常用的是震源和炸药源。在浅层地震勘探中，除炸药源和非炸药源外，更常用的是落重震源和人工锤击震源。由于附近人口密度较大，从环保、安全和经济效益的角度考虑，选用锤击震源。

3.3 试验数据采集

3.3.1 一致性测试

一致性是指所有地震道具有相同的特征，从而可以记录多个道，以免由于地震道的一致性不同而导致错误的解释结论。一致性测试是检查地震道一致性的生产准备。此次试验检查地震道一致性的方法是在地形良好的情况下，将检波器布设为一个圆形，且使其与地面耦合良好。然后圆心位置利用人工锤击震源激发地震波，记录每个通道接收到的振动应具有相同的相位、幅度和波形。

本次试验的一致性试验中原始地震记录如图2所示。通过试验结果可以看出，各类设备的性能指标符合生产和试验规范要求。

3.3.2 观测系统布设

本次试验观测系统采用96道排列接收，道间距2m，单边放炮，炮间距6m。人工锤击震源，同一炮点人工锤击15次，为避免工业电等其他干扰，将排列布置在远离高压电线的地方。

3.3.3 地震剖面数据采集试验

基于人工锤击震源开展地震数据采集试验，在观测系统的设计激发点位置，利用锤击进行地震波激发采集地震记录数据。

3.4 反射波资料处理

本次资料处理内容主要包括：定义观测系统、增益控制、道编辑、滤波、反褶积、野外静校正、速度分析、动校正、剩余静校正、叠加、时深转换、叠后偏移等（图3）。

3.5 试验结果分析

3.5.1 地震剖面

本次试验探测结果如图4所示，锤击震源激发效果良好，具有较强的穿透性，在600ms时候，可以看到明显的反射波连续同相轴。因此，浅部区域获得的时间剖面使用人工锤击震源激发的能量最适宜，反射波连续性较好且能量较强。

3.5.2 有效波

一个水平界面反射波的同相轴呈以时间轴对称的双曲线，直达波的同相轴是过原点的直线，折射波的同相轴是截距不为零的直线。倾斜界面处反射波的时距曲线是沿最小点向上倾角方向的双曲线偏移。从弯曲界面反射的波的时距曲线可能有一个回路，呈“蝴蝶结”的几何形态，对应的反射波称为回转波。水平多层介质中反射波的时距曲线近似为双曲线。线性连续介质中，波的传播路径为圆弧叫做回折波，回折波时距曲线多呈现一条曲线，多个水平层中折射波的时间距离曲线多为折线，倾斜界面折射波时距曲线为曲线。

繞射波时距曲线总是与同一界面反射波时距曲线相切，呈双曲线。发散波的下部是一个背斜型界面，如同凸面镜一样，断面波往往与下降盘的反射波斜交，在断棱点还有绕射波，构成了反射连绕射，绕射连断面波，断面波又连绕射的波动图像。

3.5.3 规则干扰波

（1）声波：速度稳定，直线同相轴；地震记录中的高频、强、尖波到达。

（2）面波：高强度、低频率（有时只有十几赫兹）、持续时间长，在地震记录中呈扫帚状（即具有色散现象）。

（3）工业电干扰：在地震记录数据上呈现五十赫兹的正弦干扰，有时比地震有效波强很多倍。

（4）重复冲击：波的视速度和一次波的视速度相同。

（5）虚反射（鬼波）：干涉使法向波形状复杂化，相数增多，其反射波形、频率、视速度甚至幅度都与法向反射波相似，难以区分。增加震源深度可以将虚拟反射与伴随它的每个反射波分开，便于识别。

（6）反射—折射—反射波：同相轴平行于直达波或折射波的同相轴，速度反映了强波阻抗界面处的速度，表现为连续波。

3.5.4 不规则干扰波

（1）微震：频带宽度（1～150赫兹），统计相关半径6～9米，强度变化，取决于激励接收时刻的周围条件。

（2）高频背景：整张记录都出现高频振动，没有一定规律性，参差不齐。

（3）低频背景：低频不规则振动，振幅强。

（4）正常背景：该频率对应于反射波（30～60赫兹），并且从头到尾贯穿整个记录。

结语

本文在资料调研的基础上，结合设计需求完成了试验方案设计和数据采集，通过一致性试验可以看出检波器具有良好的脉冲响应一致性。通过对人工锤击震源的激发能量较小，适用于浅区的时间段反射波连续性好、能量强，锤击震源在地表激发，这就要求铁板与地之间有良好的耦合。在选择浅层地震勘探震源时，应综合考虑地震勘探的目的和要求，根据施工条件、环境保护、成本效益和安全问题等因素，以人工锤击震源作为一种低成本、方便快捷的激发震源方法。

参考文献：

［1］姚姚.地震波与地震勘探［M］.北京：地质出版社，2005.

［2］范磊.浅层地震反射波法在地质工程勘探中的应用研究［J］.华北自然资源，2021（04）：4243.

［3］耿祥峰.浅层地震勘探反射波法在岩溶塌陷勘察中的应用［J］.化工管理，2021（29）：1920.

［4］吴双红，白艳娟，夏媛媛，等.活动断层地质勘探中的浅层反射波方法与层析成像［J］.能源与环保，2018，040（004）：7377.

［5］王树威.地震反射波地质层位标定方法研究［J］.中国煤炭，2018，44（12）：3035.

［6］陈建福.地震反射波法在复杂地层跨海盾构隧道中的应用［J］.中外公路，2020，40（3）：102103.

作者简介：徐昊（1993— ），男，汉族，河北保定人，本科，主要从事地球物理和自然资源调查工作。

*通讯作者：宋炯（1987— ），男，汉族，河北定州人，研究生，主要从事地质、地球物理和自然资源调查工作。