2017, Vol. 37
浅层反射地震方法因其抗干扰能力强、探测精度高、剖面反映的地质现象直观等特点，在浅部结构探测中得到广泛应用。在浅层反射地震勘探数据采集时，由于近炮点接收段常常受到面波、声波的干扰，加上近地表地质条件和外界随机干扰等对地震资料的影响，无法获取浅部探测盲区内的地下结构信息。由于地震记录上的面波与反射波一样也包含有地下介质速度和地下构造信息，在对反射地震资料进行地下结构成像的同时，也可利用面波震相能量强、波组特征清楚以及面波的频散特性等，通过反演计算获得近地表速度结构信息。
在利用面波研究近地表结构方面，目前采用的主要是瞬态面波方法[1-2]，且仪器设备、数据采集、数据处理与解释软件和方法也日趋完善，可以有效地分辨出不同层的横波速度[3-5]。在利用反射地震记录中的面波调查浅层速度结构方面，国内外学者开展了大量研究。Roth等[6]提出从高分辨率反射地震数据中选取部分地震记录建立瑞利面波频散曲线，然后基于遗传算法获得表层结构信息。裴江云等[7]利用大庆地区生产炮记录中的瑞利波，使用阻尼二乘法迭代反演近地表地层厚度与横波速度，反演结果与小折射方法基本一致。席拥军[8]用新疆塔里木山地地震大炮记录中提取的面波反演表层结构，获得经面波法静校正处理的时间剖面。曾校丰等[5]对新疆准噶尔盆地沙漠地区油气反射波地震勘探原始数据中的面波信息进行处理，所得覆盖层厚度及横波速度与已知地质资料吻合。李庆春等[9]指出，在石油和煤炭反射地震中，把石油反射地震资料的面波加以利用，为反射地震静校正、近地表工程地质评价等提供物性参数，是面波勘探的发展趋势。周熙襄等[10-14]对利用地震勘探中已有的瑞利波来调查表层结构的可行性进行研究，认为利用瑞利波进行表层结构调查具有中等尺度的探测能力，并提出利用面波信息进行表层调查的主要思路：利用f-k变换或小波包变换分离单炮记录中的面波信号，在f-k域求取频散曲线。应用实际资料的单炮记录进行分析，结果证明，通过单炮记录中的瑞利面波信息反演表层结构的方法，可以在具有明显分层特征的地区应用。
本文在简要概述瑞利面波基本特点及其数据处理方法的基础上，分析了利用浅层反射地震记录上的面波信息获得近地表速度结构的可行性，并结合实际探测资料对该方法在隐伏断层探测中的应用进行讨论。
1 利用浅层反射地震资料进行面波分析的可行性浅层反射地震记录中常常包含有能量较强的瑞利面波，其与工程勘察的瞬态面波勘探记录特征一样，不同之处在于勘探目标、震源、检波器以及采集参数等方面[4, 14]。
1.1 激发震源在瞬态瑞利波勘探中，震源一般采用锤击震源或炸药震源。为了获得对应不同地层深度的面波信号，要求震源能产生各种频率的面波[15]。浅层探测时采用锤击震源激发高频面波，并采用小道间距接收；大深度探测时则采用炸药震源，并采用大道间距接收。而浅层反射地震勘探要求震源频带宽、高频成分丰富[16]，一般采用炸药震源或可控震源。这两种震源激发的地震波频谱范围如图 1所示。可以看出，炸药震源激发的地震波频谱比可控震源激发的频带要宽，且低频信息丰富，更适合于瑞利面波分析。
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图 1 浅层反射地震原始单炮信号频谱 Fig. 1 The original signal spectrum of the shallow seismic reflection |
瞬态瑞利波勘探时，检波器选择垂直向速度型检波器，自然频率应满足采集最大周期面波的需要，根据探测目的合理选择相应频率的检波器。一般而言，低频面波的传播特征反映了深层的信息，高频分量的特征则反映了浅层信息，频率成分是影响瑞利波勘探的决定性因素，因此要求面波勘探用检波器应具有宽频特性[16]，一般有4 Hz、10 Hz、28 Hz[13]。浅层反射地震勘探中，为压制低频干扰、提高信号主频，大多采用40 Hz、60 Hz与100 Hz的检波器[15]。
1.3 道间距瞬态瑞利波勘探时，道间距Δx应满足下式[4]，以避免数据处理中空间假频的影响：
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式中，λmin为最小面波波长，道间距Δx越小，分辨率越高。浅层反射地震勘探中，道间距同样需要满足空间采样定理，即
瞬态瑞利波勘探中，需要选择合适的偏移距进行面波勘探。偏移距的选择原则是在较小的道间距情况下，满足最佳面波接收窗口和最佳探测深度需要，一般反映浅部的面波频散特征在震源附近清晰，而反映深层特征的面波频散在距震源远处更明显[1, 4, 16]。浅层反射地震勘探中，选择偏移距一般遵循“最佳时窗”和“最佳偏移距”的原则，使得接收窗口位于既可避开震源干扰波、又可获得浅部反射波的地段上[15]。根据瞬态瑞利波勘探对偏移距的要求，浅层反射地震勘探满足面波分析对于偏移距的要求，但并非所有的地震道都能用于面波分析，因此在具体处理过程中，应当选取合适的地震道进行分析。
2 利用浅层反射地震资料进行面波分析的数据处理方法及应用参考瞬态瑞利波勘探中面波数据处理流程，利用浅层反射地震资料进行面波分析，具体步骤如图 2所示[12]。
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图 2 浅层反射地震生产炮面波分析步骤 Fig. 2 The surface wave analysis steps of the shallow reflection seismic data |
通过分析浅层反射地震与瞬态面波勘探的施工参数可知，运用炸药震源与相对低频检波器采集的小道间距浅层反射地震数据更适合面波分析，为此本研究选用了符合该条件的银川市活断层探测的浅层反射地震数据。
选取的浅层反射地震线是横跨银川断层的TEST2测线。该测线经过地段的地势相对平坦，在地震测线穿过的位置上，地表被较厚的第四纪地层覆盖。由地质与地震勘探资料可知，该区第四系厚度一般为800~1 000 m，最大厚度为1 200~1 400 m，第四系覆盖层内部存在有多组连续性好的地层反射。该测线的浅层反射地震探测采用孔深3 m、激发药量300 g的钻孔爆破源，相应的观测系统参数为道间距5 m、偏移距20 m、72道接收、12次覆盖[18]。
2.1 地震记录上的面波特征图 3给出了浅层反射地震勘探的单炮记录及其频谱分析结果。可以看出，地震记录上不但存在多组有效反射波，而且地震记录上的面波也发育得非常好，面波分布的时间-空间范围较大，基阶与高阶面波均有发育。地震记录上的面波视速度约为100~500 m/s，其主频分布于5~15 Hz，反射波视速度为2 000 m/s以上。主频一般在15~50 Hz时，面波对反射波信息造成干扰，而在面波分布带内，面波信噪比高，而反射波信息几乎湮没。面波与反射波的这些差别有利于面波的识别与提取。
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图 3 浅层反射地震记录面波发育情况 Fig. 3 The surface wave situation of the shallow reflection seismic |
利用本文给出的面波分析流程(图 2)，对浅层反射地震资料进行面波信息提取和数据处理。浅层反射地震勘探的最小偏移距为20 m，接收道数为72道，最大偏移距为355 m，远道发育有高阶面波(图 3)。瞬态面波勘探最小偏移距通常需要避开近场效应，同时要求最大偏移距记录道上的高阶面波尚未完全发育，以避免高阶面波对基阶面波的影响。因此，选取浅层反射地震资料1~60道的数据进行面波分析，最小偏移距为20 m，避免了近场效应，同时60道内的高阶面波尚未完全发育。另外，在面波分析和处理时还要注意切除初至波、高阶面波以及反射地震信号的干扰(图 4中左图)。
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图 4 浅层反射地震单炮数据道面波分析 Fig. 4 The surface wave analysis of the shallow seismic reflection data |
浅层反射地震勘探测线的反射波叠加时间与深度剖面见图 5，该剖面揭示了地下界面反射波特征和地层分布特点。在地下200 m以内存在4个较为明显的地下界面反射波，但在地下30 m以内反射波组不连续，没有明显的地层分界面。剖面上解释了一条断层F，剖面上该断层向西倾，为西盘下降、东盘上升的正断层，可识别上断点深度约为42~45 m，其在地面的垂直投影位于桩号485 m处。
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图 5 浅层反射地震勘探测线反射波叠加时间与深度剖面 Fig. 5 The reflection wave superposition time and depth profile of the shallow reflection seismic survey |
为了确定断层位置及其上断点埋深，在桩号446~546 m之间布设了一条全长100 m的跨断层钻孔联合剖面(图 6)。钻探结果表明，断层F在地面的投影点位置位于测线桩号477~485 m，上断点深度10 m左右，断距2~3 m，断层面倾角为71°，在30 m以内，断层西侧主要有3层不同岩性的地层，断层东侧主要有4层不同岩性的地层，地层岩性主要为一套松散沉积的中砂、细砂、粉砂和砂粘土互层[18]。
为了对比研究利用浅层反射地震勘探数据进行面波分析结果的准确性，选取与跨断层钻孔联合剖面桩号重叠区域的面波数据处理结果(如图 7)。面波反演结果表明，在深度30 m以内存在5个明显的横波速度分界面，分别为深度8~9 m、横波速度为191 m/s的分界面；深度10~11 m、横波速度为227 m/s的分界面；深度14~16 m、横波速度为277 m/s的分界面；深度为16~18 m、横波速度为294 m/s的分界面以及深度为20~21.6 m、横波速度为319 m/s的分界面。其中横波速度为277 m/s的界面以及横波速度为294 m/s的界面与跨断层钻孔联合地质剖面中层2与层3的界面、层3与层4的界面深度一致，起伏状态吻合。而由于所用检波器固有频率较高、偏移距较大、有一定孔深等因素，基阶面波的低频与高频信息不够丰富，使得深度8~9 m、横波速度为191 m/s的界面与深度为20~21.6 m、横波速度为319 m/s的界面存在较大误差。
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图 7 面波反演横波速度结构剖面 Fig. 7 The S-wave velocity profile of the surface wave inversion |
在横波速度剖面中，横波速度为227 m/s与277 m/s的两个界面之间存在一个横波速度为277 m/s的高速夹层，该夹层在桩号480~490 m下方横向速度发生变化；同时横波速度为277 m/s与294 m/s的两个横波速度界面在该处均出现一致的横向速度变化, 据此推测在该处存在断层，断层在地表的投影点位置位于桩号483~488 m之间，其上断点埋深位于11 m以下。该结果与跨断层钻孔联合地质剖面结果基本吻合。
另外在横波速度剖面中，横波速度为227 m/s与277 m/s界面之间，以及横波速度为277 m/s与294 m/s界面之间, 存在多个高速或低速夹层与透镜体结构，其中，横波速度为227 m/s与277 m/s界面之间的横波速度为277 m/s的高速夹层与跨断层钻孔联合地质剖面中层2左侧的中砂岩透镜体位置吻合；横波速度为277 m/s与294 m/s界面之间的横波速度为277 m/s的低速透镜体与跨断层钻孔联合地质剖面中层3中部的砂粘土透镜体位置吻合，该层中横波速度为294的高速夹层与跨断层钻孔联合地质剖面中层3右侧的粉砂透镜体位置吻合。
总结横波速度结构剖面特征可知，利用浅层反射地震勘探数据进行面波分析，得到的浅层横波速度结构剖面，在地层分界面、断层位置、上断点埋深、高速或低速夹层与透镜体的位置等方面与跨断层钻孔联合地质剖面基本吻合，可以弥补浅层反射地震勘探剖面中30 m以内反射信息不足的缺点。
4 结语利用浅层反射地震勘探数据进行面波分析，得到的浅层横波速度结构剖面，在地层分界面、断层位置、上断点埋深、高速或低速夹层与透镜体的位置等方面与跨断层钻孔联合地质剖面基本吻合。但是由于所用检波器固有频率较高、偏移距较大、有一定孔深等，造成勘探深度范围受限。因此，该方法能够划分的最浅部与最深部的横波速度分界面不准确。另外，该方法在断层位置、上断点埋深、高速或低速夹层与透镜体位置判断方面，虽然能够与跨断层钻孔联合剖面基本吻合，但是精度有限，不能够确定断层具体位置以及上断点准确埋深，可以确定具有一定层厚与延伸长度的高速或低速夹层与透镜体的位置，但其形状并不能完全吻合，而对于层厚与延伸长度较小的高速或低速夹层与透镜体，在识别时存在较大误差。
| [1] |
Park C B, Miller R D, Xia J. Multichannel Analysis of Surface Wave[J]. Geophysics, 1999, 64(3): 800-808 DOI:10.1190/1.1444590
(  0) |
| [2] |
Xia J, Miller R D, Park C B. Estimation of Near-surface Shear-wave Velocity by Inversion of Rayleigh Wave[J]. Geophysics, 1999, 64(3): 691-700 DOI:10.1190/1.1444578
( 0) |
| [3] |
杨成林. 瑞雷波勘探[M]. 北京: 地质出版社, 1993 (Yang Chenglin. Rayleigh Waves Exploration[M]. Beijing: Geology Publishing House, 1993)
( 0) |
| [4] |
宋先海, 李端有, 顾汉明, 等. 瑞雷波勘探理论及其应用[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2010 (Song Xianhai, Li Duanyou, Gu Hanming, et al. Rayleigh Waves Theory and Applications[M]. Beijing: China Water&Power Press, 2010)
( 0) |
| [5] |
曾校丰, 钱荣毅, 邓新生, 等. 面波勘探及其在沙漠地区表层地质结构调查中的应用[J]. 现代地质, 2001, 15(1): 94-97 (Zeng Xiaofeng, Qian Rongyi, Deng Xinsheng, et al. Rayleigh Wave Exploration Applied to Investigate Surface Geological Structure in Desert Zone[J]. Geoscience, 2001, 15(1): 94-97 DOI:10.3969/j.issn.1000-8527.2001.01.017)
( 0) |
| [6] |
Roth M, Holliger K.Joint Inversion of Rayleigh and Guided Waves in High-Resolution Seismic Data Using a Genetic Algorithm[C].SEG Technical Program Expanded Abstracts, 1998
( 0) |
| [7] |
裴江云, 吴永刚, 刘英杰. 近地表低速带反演[J]. 长春地质学院学报, 1994, 24(3): 317-320 (Pei Jiangyun, Wu Yonggang, Liu Yingjie. Near Surface Low Velocity Zone Inversion[J]. Journal of Changchun University of Earth Sciences, 1994, 24(3): 317-320)
( 0) |
| [8] |
席拥军.面波法静校正在新疆塔里木山地地震勘探中的应用研究[D].北京: 中国矿业大学, 1998 (Xi Yongjun.The Application Study of Surface Wave Static in Mountainous Seismic Exploration of Xinjang Tarim Basin[D].Beijing: China University of Mining and Technology, 1998) http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=degree&id=Y258459
( 0) |
| [9] |
李庆春, 邵广周, 刘金兰, 等. 瑞雷面波勘探的过去、现在和未来[J]. 地球科学与环境学报, 2006, 28(3): 74-77 (Li Qingchun, Shao Guangzhou, Liu Jinlan, et al. Past, Present and Future of Rayleigh Surface Wave Exploration[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2006, 28(3): 74-77 DOI:10.3969/j.issn.1672-6561.2006.03.016)
( 0) |
| [10] |
周熙襄, 王振国. 利用瑞利面波调查表层结构的可行性探讨[J]. 石油地球物理勘探, 2004, 39(2): 181-186 (Zhou Xixiang, Wang Zhenguo. Discussion on Feasibility of Using Rayleigh Wave to Investigate Near-surface Structure[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2004, 39(2): 181-186 DOI:10.3321/j.issn:1000-7210.2004.02.013)
( 0) |
| [11] |
王振国. 再论利用瑞利面波调查表层结构的可行性[J]. 石油地球物理勘探, 2004, 39(5): 505-508 (Wang Zhenguo. Discussing Again about Possibility Using Rayleigh Wave for Investigation of Near-surface Structure[J]. Oil Geophysical Prospecting, 2004, 39(5): 505-508 DOI:10.3321/j.issn:1000-7210.2004.05.003)
( 0) |
| [12] |
彭文, 周熙襄. 利用瑞雷面波调查表层结构的可行性分析[J]. 天然气工业, 2006, 26(9): 54-57 (Peng Wen, Zhou Xixiang. Feasibility Analysis of Surveying Surface Structure with Rayleigh Ground Roll Wave[J]. Natural Gas Industry, 2006, 26(9): 54-57 DOI:10.3321/j.issn:1000-0976.2006.09.016)
( 0) |
| [13] |
李晶.面波在地震波场中的特性研究及其应用[D].成都: 成都理工大学, 2006 (Li Jing.Study of Surface Wave Properties and Application in Seismic Wave Field[D].Chengdu: Chengdu University of Technology, 2006) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10616-2006139832.htm
( 0) |
| [14] |
彭文.利用石油勘探面波信息调查表层结构的方法研究[D].成都: 成都理工大学, 2007 (Peng Wen.Study about Investigation of Surface Layer Structure by Surface Wave Information in Petroleum Exploration[D].Chengdu: Chengdu University of Technology, 2007) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-10616-2007138693.htm
( 0) |
| [15] |
徐贵来. 地震瑞利面波测深应注意的问题[J]. 铀矿地质, 2003, 19(1): 42-47 (Xu Guilai. Discussion on Several Problems about Seismic Surface Wave Sounding[J]. Uranium Geology, 2003, 19(1): 42-47 DOI:10.3969/j.issn.1000-0658.2003.01.007)
( 0) |
| [16] |
刘保金, 张先康, 方盛明, 等. 城市活断层探测的高分辨率浅层地震数据采集技术[J]. 地震地质, 2002, 24(4): 524-532 (Liu Baojin, Zhang Xiankang, Fang Shengming, et al. Acquisition Technique of High-resolution Shallow Seismic Data for Surveying of Urban Active Faults[J]. Seismology and Geology, 2002, 24(4): 524-532 DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2002.04.006)
( 0) |
| [17] |
刘保金, 张天航, 冷欣荣. 不同地区工程勘察的高分辨率地震反射勘查[J]. 西北地震学报, 1999, 21(1): 55-61 (Liu Baojin, Zhang Tianhang, Leng Xinrong. High Resolving Seismic Reflection Prospecting for Engineering Surveying in Different Areas[J]. North Western Seismological Journal, 1999, 21(1): 55-61 DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.1999.01.009)
( 0) |
| [18] |
刘保金, 柴炽章, 酆少英, 等. 第四纪沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术[J]. 地球物理学报, 2008, 51(5): 1475-1483 (Liu Baojin, Chai Chizhang, Feng Shaoying, et al. Seismic Exploration Method for Buried Fault and Its Up-breakpoint in Quaternary Sediment Area[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2008, 51(5): 1475-1483 DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2008.05.021)
( 0) |