Question

　地震勘探

Answer 1

地震方法是目前我国用于水工环地质调查的主要物探方法。它通过研究人工激发和接收的地震波的运动学和动力学特征来调查地质问题。地震勘探的方法有近十种，以下仅对主要的方法——反射地震、折射地震、横波勘查、面波勘查、三维地震予以介绍。

一、反射地震

目前，反射地震是浅层勘查中得到最多应用的地震方法。虽然80年代它才在水工环地质调查中得到应用，但是在90年代初却已经形成比较完整的浅层反射地震技术系列。

1.资料采集技术的改进

（1）地震共中心点迭加（CMP）的野外资料采集中，需要大量的劳力埋置检波器。为了提高效率，降低成本，国外研究出了一种陆地检波器拖缆，使用万向接头，可以自动确定方向。在瑞士两个试验场地的应用成果说明，该设备在技术上解决了检波器与大地间的耦合问题，只二、三人作业，即可完成过去10余人的工作，并且能取得与原来一样好的效果。

（2）最佳资料观测时窗的重新提出。1984年Hunter等提出的最佳资料观测时窗（OWT）技术，要求在选择炮检距、高通滤波器、检波器及震源时，应特别注重主要目标反射波的探测。该技术在促进当时反射地震的发展中起到了重要作用。在反射地震仪器、处理设备及技术均得到长足发展的今天，一些适合浅层地震工作的场地仍可以利用这种简单的方法来取得很好的浅层地质构造信息（当然，对目前应用OWT的技术背景已作了较大的改进），这样可以节省一笔可观的费用。为了引起地震工作者对OWT技术的重视，R.J.Whiteley等最近发表了1985～1986年期间，在评价曼谷周围地面沉降问题中，OWT所作出的重大贡献；重温它在评价世界上许多大城市面临的地面沉降问题中可以发挥的作用。

2.具有指导意义的震源试验成果

震源的选择对取得良好的浅层反射勘查成果非常关键。这是一个既重要而又往往被忽视的问题。为了给浅层地震勘查提供可选择震源的基本资料，多年来美国勘探地球物理学家协会（SEG）等机构相继组织了用多种震源在不同类型地质条件下的大量现场对比试验。这类试验的技术含量高，费用昂贵。专家们根据选择最佳震源的基本条件对试验成果作了评价。对今后地震实际工作具有重要指导意义的试验有：

（1）在1986年新泽西州、1988年加利福尼亚州和1991年休斯敦的试验中，分别用多种震源做了对比试验。Richard D Miller等对以上三次试验成果作了简单的概括（表20-1）。

表20-1　1986新泽西州、1988加利福尼亚州和1991年得克萨斯州试验对比

（2）在前三次试验成果的基础上，1993年11月在美国田纳西州橡树林保留地作的震源试验与前几次的试验不同。本次试验用了脉冲和振动两类震源，探测目标深度比原来大，在不同的地质环境下试验。试验资料提供了125个点的CMP和垂直地震剖面的噪声测试资料，包括35种振动震源和4种脉冲震源。将频谱白化法用于资料处理后，IVI Mini-vib震源能提供最佳的图像，反射波连续、清晰；不用白化法处理，IVI Minivib和Bison弹性震源取得的资料比较一致。

（3）用于高分辨率勘查的轻便振动系统。针对浅层工程物探中探地雷达深度达不到，而一般地震方法又觉得太浅的目标，最近推出了一种轻便、高分辨纵波电磁地震波振动系统。只需对系统产生的电磁信号作简单的调剂，就可以单独地控制穿透深度和分辨率。提供的代表不同地质、场地条件和探测目标的七组试验成果指出：①在有利条件下，目标埋深为10～30m时，最高分辨率可达到20cm；②在城市沥青环境中，很容易激发出高频能量；③对埋在松软土0.5～5m深的很小且离得很近的物体，在频率大于300Hz的情况下，探测到了明显的反射同相轴。

3.资料处理及解释方法研究

（1）将石油反射地震资料处理技术应用到浅震资料时，有许多问题需要研究。国内、外对这些问题做了比较深入探讨。如Linus Pasasa等已成功地将基尔霍夫深度偏移预迭加用于从德国一废物场地采集的浅层地震资料的处理。它简化了传统CMP的处理程序，只需对速度-深度模型作出评估和深度偏移预迭加，而不需要区分炮点资料中的反射波和折射波。用该种方法处理的资料在分辨率和信/噪比方面有了很大的提高。

（2）采集浅层反射资料时，需要利用高频率和宽频带。但这样做会给后续工作带来麻烦，如地滚波的空间假频；错误地将处理后的空气波及空气耦合波当做反射波来解释；在CMP剖面上将折射波解释为反射波以及处理中带来的一些人为现象。Don W.Steeples等在浅层地震反射勘探的陷井研究中，对识别、回避或消除这些干扰作了详细的研究。

4.仪器发展总趋势

80年代，发达国家浅层地震仪器的道数只有24道或更少；仪器动态范围通常为60dB或更小；另外，只能同时对一、二组同相轴成像，只记录单分量信息，并且通常只能用一种方式分析纵波。目前，仪器有了较大地发展，利用96dB、48道（或更多）地震仪器的大学、研究试验室和承包商的数量正在一天天地增多。在不久的将来可能利用三分量设备记录三维信息，并且可以同时分析超过一种地震方式信息。

国内仪器的发展现状同国外80年代末90年代初基本相同。国内正在开展一种地震仪器的综合技术服务，意在利用浮点模块将过去的多种国外及国内生产的定点地震仪作技术升级和功能增强，并将12道仪器扩展为24道。在80～90年代，国内曾引进一批国外的先进仪器；但是至今，96dB及48道的仪器在国内还未得到应用。

5.应用领域拓宽

近年来，反射地震方法的传统应用领域在不断扩大，探测的目标也越来越复杂。国内外在探测第四系厚度和基岩起伏、含水层和古河道，断层、裂隙带等地下构造，滑坡及落水洞，以及地表沉降等方面已经取得了丰富的经验。考虑到已有许多关于传统应用领域的资料可供参考，所以这里只对有代表性的新应用领域作一简单介绍。

（1）为水资源管理提供资料。美国西雅图北皮吉特湾内一个小岛（特别是沿海地区）的人口迅速增长，水资源的数量和质量成了阻碍这种发展的最重要因素。科学的水资源管理方法取决于预测地下水准确模型的开发。而准确的模型则在很大程度上有赖于对地下水系统的几何形状的恰当评价。为了给该岛复杂地下水环境的管理模型提供资料，John H.Bradford等利用浅层地震反射剖面对该岛温带冰川沉积层中的浅部含水层做了调查。用迭代倾斜时差（DMO）速度分析对取得资料的速度结构作了分析，最终得到了一张质量得到很大改善的迭后深度偏移剖面。该试验说明，即使在复杂环境条件下，也可以利用反射地震为水资源管理提供有用的资料。

（2）潜水面及饱和度与反射图像之间的关系的应用试验。精细的研究成果已经指出，潜水面并不是一个简单的地震界面，而是在非封闭含水层条件下的地下水带与毛细带的分界面。为了更好地了解水文地质意义上的潜水面和它的地震图像之间以及在不同湿度条件下地下界面与排水间的关系，Ram Bachrach等在海岸沙滩上利用高分辨率地震作了试验。试验结果指出，①可以对2m深左右的浅部潜水层反射面成像；②该反射面与水文地质上确定的潜水面不一致，地震波只对部分饱和也就是说仅对地层中过去的水流敏感；③可以直接利用孔隙沙内的地震速度反演饱和度。以上这些结果对利用浅震监测地下水力学动态很重要。比如在抽水期间如果需要监测潜水面变化时，地震响应将只受饱和带剖面而不受潜水面本身的控制。这一结论与Birkelo等在一次用高分辨地震监测抽水试验中的成果一致。在那次试验中发现潜水位的地震图像与上层滞水的水位系统及饱和带顶部相一致。另外，反射地震对饱和带成像的能力，对确定地下非均匀体的位置也很有用处。

（3）提供研究古气象的资料。近年来，充填更新世冰川构造的沉积物对研究古气候已经越来越重要。在较小、封闭、盆状（或似碗状）构造中的沉积旋回能为研究古气候的变化提供有用的资料。1996年在德国北部Tostedt附近的这类构造上做了二维高分辨率浅层反射地震勘查。Tostedt构造内，30、40和50m深度的反射波与魏克塞尔冰期的三组间冰段之间的相关性很好，由弱反射波确定了该构造的底部（最大深度为70m）。发现Tosedt构造被埋在一个比它大许多、从前未预计到的具有相同形状的凹陷内。高振幅反射波确定了该凹陷的底部边界（深130m）。反射地震勘查资料确定了两个似碗状构造完整的冰川成因。

二、折射地震

折射地震是最早用于水工环地质调查的地震方法。由于野外施工需要大排列和强震源以及自身的灵敏度和分辨率不高等技术缺点，其应用的主导地位已逐渐被反射地震法取代。目前，对传统方法的改革和创新虽然不十分活跃，但也有了一些起色。折射地震仍不失为一种主要的物探方法（特别是在工程地质领域）。

（1）传统应用领域包括重大项目选址（调查第四系厚度、基岩起伏、地下构造、岩土力学参数及岩性结构等），探测地下水位，为反射地震的静校正提供速度等。

（2）在某些特殊地质条件下的新应用。当前，水工环地质的一些调查中，需要了解一二十米范围内目标的准确深度和几何形状。但是，在这样的深度内，①电法的分辨率一般达不到要求；②如果场地内存在良性导电材料，因雷达波的能量被大量吸收，使探地雷达的穿透能力达不到应有的深度；③当场地材料对反射地震高频信号具有强散射和滞弹性影响时，反射法赖以对目标准确成像的高频能量被大量吸收；再则，在10～15m目标反射波的时间（50ms）内，振源产生的噪音将构成对反射波的严重干扰；这样将使反射法的应用受到严格的限制。在上述情况下，折射地震能提供比其它物探方法分辨率更高的资料。已将折射地震用于瑞士北部这类与处置场地有关的调查，并且取得了良好的效果。

（3）与其他地震方法组合应用。折射方法的优点是能提供较准确的地震波速度资料，但是不能提供地质构造的准确信息；而反射地震则能提供地质构造的详细信息。在目前的浅层调查中，出现一种将折射地震和反射地震结合起来使用的趋势。比如，虽然100～150ms是浅层的重点探测目标，但迭加的反射资料却往往在这段时间内得不到良好的效果；而由折射炮点道集中的波场推出的速度模型却能提供浅层构造的地层横向变化信息。这些速度模型可用于：①在不能可靠描绘反射波双曲线为迭加处理提供速度资料时，提供迭加所需的速度；②炮检距不大使反射双曲线的正常时差校正量较小时，提供层速度资料。已将从得克萨斯和新墨西哥州采集的浅层反射资料用折射模型提供的速度处理，处理后的资料及其解释成果的质量得到了提高。

（4）一种解决折射地震盲区的新方法的应用。折射地震探查中的盲区问题一直困扰着地震工作者。历史上有不少的学者曾提出过一些解决办法，但这些方法在实际应用中都要受到一定的限制。结合一个金矿折射地震勘查中遇到的盲区问题，在Redprit提出的确定盲区最大厚度的基础上，地震工作者利用常规时距曲线的解释厚度和最大盲区厚度的差来表示盲层之上的尾矿的真实厚度。该成果资料与场地钻孔资料取得了一致。

三、横波反射法

横波是一种质点振动与波传播方向垂直的地震波。在横波勘查中，一般利用方向性振源激发地震波。在国外虽然有一些关于利用反射横波勘查的报导，但由于实际工作中很难将反射波从乐夫波（一种面波，在地震记录上的到达时间与横波相同）中分离出来，这成了反射横波法发展的致命弱点。不过，Bradiey J.Carr等人的新见解或许能给横波应用带来希望。他们在冰碛物的横波研究实例中，利用单个振电雷管激发出可供地震仪检测的横波；并且在地震记录中能将横波从面波中辨认出来。通过同一测线纵、横波实测资料的对比，发现横波CDP资料的垂直分辨率为1.5m，横波垂直剖面法（VSP）的分辨率为0.75m；即使这样，横波CDP的垂直分辨率也比纵波的（2.6m）高。他们得出结论，横波反射不但可用于非固结地质材料的调查，而且还能提供与场地冰碛物单元有关的构造关系的信息。

四、瑞利波勘查

瑞利波是沿地面传播的地震波，是面波中的一种。利用瑞利波勘查只有十多年的历史。瑞利波勘查方法可分为稳态法和瞬态法两种。美国最先提出瞬态模式的瑞利波勘查，但是未付诸实施。日本提出了稳态模式勘查，并与中国分头研制成功稳态仪器并付诸实施。在稳态瑞利波的研究方面，中国发展了多道仪器和井下防爆仪器，使瑞利波勘查在独头巷道的超前勘查中发挥了重要作用。通过理论和试验两方面的研究，在资料采集、处理和解释方面都取得了显著进展。这些进展包括：发现“拐点”和“之字型”异常为D-V_r曲线上地层界面的两种基本异常形态；根据单条曲线的形态，可以确定洞穴、裂隙、松软等地质异常的基本类型；获得了深达一二百米以上的实测资料。稳态瑞利波法已经成功地应用到许多大中小工程项目之中，解决了一些复杂的工程地质问题。在勘探深度、解释精度和空洞判断准确率方面都达到了较高水平。

瞬态瑞利波法是一种近年来才用于实际勘查的比较新的物探方法。它用人工震源产生所需频率范围的瞬态激励，通过测量不同频率瑞利波的传播速度来探测不同深度（几十米以内）的岩土介质性质，进而推测岩石分层、断层、岩溶、洞穴等。该方法具有设备轻便、施工灵活、资料直观、精度高、受干扰小等特点。目前，在地基覆盖层、防空洞、路面厚度、煤矿井下掘进超前、巷底层间距、顶煤厚度及巷道的探测中，均取得了较好的地质效果，证明了瞬态瑞利波法具有较高的实用价值和良好的应用前景。

在瑞利波勘查的研究中，李锦飞（1998）提出了多分量瑞利波勘查的技术思想和方法，并研制成功专用防爆型多分量瑞利波勘探仪器。通过用极化分析方法对瑞利波记录的多分量信号的研究，提出了用极化滤波提取有效瑞利波的方法，该方法在煤矿井下以及地面实际应用表明，与单分量法比较，多分量瑞利波勘查在信噪比、穿透深度和可靠性方面都有一定的提高，具有一定的发展远景。

五、三维（3D）地震勘探

过去十年中，浅层高分辨率地震已逐渐成为浅层勘查的重要工具。虽然单独利用2D资料也可以对简单连续地质特征填图，但是提供复杂反射体的大小和形状就比较困难。从近年国外推出的3D地震勘探的实例可以看到，3D资料具有这方面能力。但是，由于资料采集和处理比较困难以及费用昂贵等原因，3D地震还没能得到较多的应用。从目前国外对浅层地质调查不断增长的势头以及3D技术本身的实力来看，笔者认为在我国推广3D地震也只是时日的问题。为此，将有关的主要技术简介于下。

（1）在规划3D地震勘探时，要准确定义勘查的主要目标。预计目标的最大和最小深度，横向范围要求的空间分辨率，探测浅、深部特征所需的最少迭加次数；最浅目标成图所需的炮-检距，浅、深部反射速度可靠分析所需的最大偏移距和方位角范围；尽力收集目标区的地质及以往的地震资料（如最佳震源能量和频率，检波器的大地耦合特征等）。

（2）因为三维地震的复杂性及采集资料的数量巨大，所以不管其勘探规模如何，事前均需做以计算机为基础的设计。三维勘查的几何结构模拟使分配关键参数（如迭加次数，最大最小偏移、在单个CMP面积元内分配方位角和偏移距等）成为可能。

（3）根据设计的要求确定勘查参数。Frank Buker等在3D地震试验中选择勘查参数的方法（勘查的目标深度都在50m以内）可供参考（表20-2）。

表20-2　3D地震勘查资料采集参数的比较

（4）资料采集方式。三维地震资料的采集方式根据对实施项目的估计来设计，一般包括互相平行的数条接受测线，检波器道数及间隔和线距根据估算确定；另外，需布置与接收线垂直，并互相平行的震源线。然后利用设置的检波器网接收每一震源的信号。为了使大多数的CMP面积元内有较多的小偏移距的纪录道，并能够对极浅（小于50ms）地层做可靠地成像和确定均方根速度，Frank等在最近试验中，在上述主采方式的基础上，又布置了第二采集方式予以补充。

（5）资料解释。目前的解释还未摆脱二维资料解释的局限，存在着以下一些不足。比如在解释中，虽然引进了人机联作交互技术，但以系列密集垂直剖面和水平等时切片联合解释为基础的工作方法不能克服在断层组合上存在的多解性以及难于确定一些特殊异常体的位置等缺点。为此，煤科总院西安分院的程建远等结合煤矿三维资料解释的实际，从三维资料体积解释思路出发，提出了一种三维资料振幅切片解释的新技术。该技术可用于任意走向断层的解释，还可以用于一些特殊地质体直观、快速解释，空间分辨率较好。利用人机联作技术可以方便地勾绘to平均图，等高线和等厚线图。在三维振幅切片的提纯处理上，可引入航卫片图像的空间滤波和图像增强处理技术，用于获得更高的信噪比和空间分辨率。