　浅层地震法

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2020-01-20 · 技术研发知识服务融合发展。

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12.1.1　基本原理

浅层地震勘探（Shallow Seismic Prospecting）是地质灾害勘查的重要手段，它具备分辨能力强，空间定位准确的技术特点。所有的地球物理勘探方法都是以研究岩石的某一种物性为基础，地震勘探所依据的是岩石弹性。其勘探原理是：用炸药或非炸药震源人为的激发地震波；沿测线的不同位置用地震勘探仪器检测、记录地震波；分析、研究这些记录，从而获得勘探地区（段）地下地质信息。激发地震波，接收地震波，处理、分析地震波记录是实施地震勘探的三个主要技术环节。激发、接收地震波称为地震勘探数据采集，处理、分析地震波称为地震勘探数据处理。

地震勘探可以看成是一个特殊的、以地层为传输讯道的通讯系统。震源激发的地震波是通讯系统的输入信号，它在地层中传播时发生波的折射、反射、吸收、干涉、叠加等物理过程，从而携带了地层的结构和岩性等信息，因此地震波可以看成是携带地层信息的载体。用数字地震勘探仪器接收地震波信号并转换成二进制数值，存贮在磁记录介质上，为用计算机处理地震数据提供了方便的信息源。地震勘探数据处理充分运用了现代数据通讯中信号处理方法、波动场的层析成像方法和计算机数值计算方法，从而提高信号的信噪比，可靠地提取蕴含在地震波中的地质信息，或进行层析成像处理，获得地下被勘查的地质体的数字图像。

由于将地震勘探的本质理解为以地质体为介质的通讯过程，地震波是通讯过程的信息载体，使得地震勘探数据采集和处理吸收了现代数字通讯技术的最新成果，实现了数字化，拥有更强的解决地质问题的能力。

地球物理勘探工作者习惯将200～300m以上探测深度的地震勘探称为“浅层地震勘探”，它符合水文、工程地质勘查和地质灾害的勘查深度。在地质灾害勘查中应用浅层地震勘探可以解决下列地质问题：

（1）按照速度值的变化，对各种类型的松散沉积物较详细地分层；

（2）查明覆盖层下的基岩埋深和起伏形态；

（3）查明基岩风化壳厚度和变化形态；

（4）查明基岩断层、破碎带，确定断层断距、断层性质，确定破碎带宽度和埋深；

（5）查明隐伏岩溶发育带，确定溶洞位置；

（6）查明隐伏溶洞和覆盖层之间，由于水力联系而形成的覆盖层中的溶蚀地段和土洞；

（7）应用在松散覆盖层中的详细分层能力，查明基岩断层在第四系地层中的形迹，从而判断是否是活动断裂；

（8）可以获取地质体的弹性力学参数和抗压能力。

12.1.1.1　纵波、横波、瑞雷（Ralyleigh）表面波

在地震勘探应力波动场范围内，地质体可视为弹性介质，依据固体介质弹性波理论，地震勘探震源在地质体中激起三种类型的地震波：纵波、横波、表面波。纵波和横波是在弹性体内部传播，又称为体波。传播纵波介质的质点振动方向与波传播方向一致，它是由胀缩力性质的震源所激发，例如放置在爆炸孔中的炸药包。横波振动方向与传播方向相互垂直，它是具有旋转力特征的激励震源激发，如水平方向敲击置于地面上的木板块，对地面作用的剪切力，是常用的激发横波震源。仅存在于介质与空气接触的自由界面下，一个波长范围内的表面波被称为瑞雷表面波，它沿介质表面传播，质点振动轨迹呈椭圆状。

利用纵波作为信息载体称为纵波地震勘探，横波地震勘探是利用横波作为信息载体。应用瑞雷表面波进行勘探称为表面波勘探法，是近年发展起来的地震勘探方法的一个分支，本书另辟章节论述。

对同一弹性参数的固体，纵波比横波有较快的传播速度，它们都是弹性参数的函数（具体计算公式详见手册附录）。通过综合测试纵、横波速度，可以推断被探测体的弹性模量和泊松比等力学参数。

地质体中的横波速度不像纵波速度那样受湿度影响大，横波速度与地质体力学强度有很好的正相关关系，速度值愈大，强度愈高。

介质对横波能量的吸收衰减比纵波小，因此在纵、横波混合的直达波组中，横波的振幅要大于纵波，但横波的频率比纵波低。在相同频率的条件下，横波速度较低，波长较短，因此它比纵波有较高的水平和垂直分辨力。

限于目前的技术水平，只能用机械震源激发横波，激发能量相对较小，最大探测深度一般不超过100m，远不如纵波所能达到的探测深度。

由于横波地震勘探的分辨能力较强，可以判断被探测地质体的力学强度，在地质灾害勘查工作中应当加以重视，特别是横波反射地震勘探，但是其技术方法和装备要比纵波勘探复杂，常用的横波“叩板”震源比较笨重并且勘探深度相对较小。

图12-1　地震波入射到速度界面上发生的物理现象

12.1.1.2　地震波反射、折射

由不同的时代、不同的岩性组成的地层，可以近似地看成弹性层状介质，分层的主要依据是地震波速度。相邻两种介质之间存在速度界面，地震波入射到速度界面上，部分能量被反射，剩余的能量透过界面入射到下部介质中，即入射波在速度界面上发生波的反射和透射这一物理现象。如果地震波的入射速度v₁低于透入速度 v₂，就会出现入射角小于透射角的现象（称之为远离法线的透射），因而就会存在使透射角为90°的入射角。在这种极端的情况下，透射波就在透射介质一侧，沿着速度界面以v₂速度传播，此时的透射波称为滑行波，入射角称为临界角（图12-1）。滑行波沿着界面滑行的过程中，引起界面各个质点振动，它可以看作为二次震源，在入射介质（v_.）中激起波的传播，这种由滑行波派生的在上覆介质中传播的波被称为折射波，速度界面被称为折射面。

反射波携带有反射界面空间位置的信息，折射波除了携带有折射界面位置信息外，还有折射界面的速度信息。由于只有在临界角入射时才能出现折射波，因此在离开震源某个距离以外才能接收到折射波。地面上接收不到折射波的地段称盲区。只有下层介质的速度大于上层时，才会出现折射波。折射波是由滑行波派生出来的，因此它的能量较小，为了接收折射波需要较强的激发能量。这些都是开展折射波勘探时，必须考虑的地球物理条件。

用反射波作为信息载体的地震勘探称为反射波地震勘探，它又可分为反射纵波地震勘探和反射横波地震勘探。用折射波作为信息载体称为折射波地震勘探，在目前的技术条件下，只利用折射纵波。

反射波地震勘探是地质灾害勘查中最常用的方法，它的技术成熟，装备轻便、精良，微机控制的数字化地震仪器、谐振频率100Hz的高频检波器、不同级别能量的震源，能够满足地质调查要求的各种勘探深度。应用源于石油地震勘探的多次覆盖技术，使用计算机处理、分析资料，能够实现地质灾害勘查工作提出的多种任务要求，是地质学家优先选择的方法。

1970年以前，浅层反射地震勘探技术尚处于研究、开发阶段，折射波地震勘探在地质灾害勘查工作中得到使用，特别是该方法能够测得界面速度值，很受使用者欢迎。但它要求被勘查地层的下层纵波速度大于上层，并且不适合多于二层以上介质的勘探。由于存在盲区，勘查场地太小就无法施工；由于要求能量较大的震源，因而只能使用炸药。这些都限制了浅层折射波地震勘探的使用。

12.1.2　观测方法

地震勘探的信息载体——地震波是用人工震源激发的。地质灾害勘查时常用的震源类型有炸药震源和机械锤击震源两种。炸药震源的优点是装备简便，能适应不同勘探深度的要求，激发出的地震波的频带较宽，主频较高，有利于高分辨率地震勘探，但是这种震源存在安全隐患，不符合环境保护的要求，不适于在城市、工矿区等人口密集的地方使用。

锤击震源使用安全、便捷，可以激发纵波也可以激发横波，目前是激发横波的主要震源类型。但锤击震源激发能量相对较弱，勘探深度一般不超过100m，激发出的地震波频带窄，主频低，分辨率低。目前国外开发出了用于浅层地震勘探的陆地气枪震源和电火花震源，有广阔的应用前景。

浅层地震勘探的观测方法是：在地表安置地震检波器，将地震波到达时引起的地表微弱振动转换成微弱的电信号，经由电缆送至地震仪记录。地震仪有多个信号通道，常用的24通道地震仪，与24个检波器连接。我们将安置在地表并与电缆连接的检波器称之为排列，检波器之间距离称为道距，检波器与激发点之间距离称为偏移距，最接近炮点的距离称为最小偏移距。

激发点位置，排列位置，激发点和排列沿测线移动方式就组成了地震勘探观测系统。道距、组成排列的地震道数目、最小偏移距离、激发点和排列沿测线移动的距离等，统称为观测系统参数。

地震仪在工作时预置的采样间隔，每道采样点数目，地震放大器的前置滤波器截止频率等，称为观测仪器的参数。

在地震勘探现场采集数据时，正确设置观测系统和观测仪器的参数是确保完成地质任务的技术关键，要慎之又慎，应当在开工前进行参数选择试验，特别是在缺少经验的新勘探区。

采用多次覆盖观测系统采集反射波数据可使地下每个地震波反射点数次被不同偏移距激发的地震波勘查。同一反射点被重复勘查的次数称为覆盖次数。通过多次覆盖数据处理可以提高反射信号的信噪比，有利于提取微弱的反射信号，从而提高了识别地下地质情况的能力。覆盖次数愈多，效果愈好，但勘探成本要相应提高。人们常用6～12次覆盖，3次覆盖属于“经济型”的勘查。

折射波观测的关键是要避开盲区，这就要了解勘探地区的物性，判断是否具备折射波勘查的地球物理前提。采用固定激发点，移动检波器排列的方式，连续追踪折射波，在排列两端轮流激发，才能组成完整的对比观测系统，获得与排列对应的完整的折射界面形态。测线较长时，激发点与排列距离太大，无法可靠接收折射波，此时应当移动激发点，但要确保它与上个激发点有一段重复接收段，保证折射界面的连接。可靠地追踪、对比和连接折射波是观测系统设计原则。

横波反射的观测系统与纵波基本相同，只是横波反射采用横波震源激发和用横波检波器接收。“叩板”是目前常用的震源，采用炸药或压缩气体的震源处于研究、开发阶段。

数字地震仪的通道数目是使用者关注点之一，24道仪器是必不可少的，如果能够装备有48道或96道仪器则更为理想。多道仪器可以降低成本，提高覆盖次数。模数转换器拥有的位数则是关注点之二，位数多，仪器的动态范围大，接收的地震信号保真度高，地震波承载的信息丢失少，这就提高了数据处理和信息提取的效果和解决地质问题的能力。

12.1.3　技术要求

提高地震勘探的分辨率是技术要求的主导思想。所谓分辨率，就是对被勘查地质体探查的精细程度，可分为垂直和水平两种分辨率。垂直分辨率愈高，就愈能精细地划分地层；水平分辨率高，对地质体水平方向的定位精度就高，例如准确地确定断层的水平位置。

理论研究和实践均证明，缩短地震波振动延续周期，或者是扩展地震波的频带宽度，可以提高分辨率。为了提高水平分辨率，除了上述要求外，还要适当地缩小检波器的道距。

由于大地介质对地震波传播的作用相当于低通滤波器，高频成分吸收衰减的程度较低频部分强，两者相差可达30～40dB。因此补偿高频成分的丢失，就可以扩展地震波频带宽度，从而提高分辨能力。提高激发和接收的信号频率，防止在数据处理时损失信号的高频成分，是技术要求的关键。

此外，应当严格遵守《浅层地震勘查技术规范》各项规定和技术要求。附录中收录了此规范文本。

12.1.3.1　测线布设

根据地质任务的要求在勘探区布置地震测线时，测线的方位要尽可能地垂直于被勘探体的走向，避开地物障碍和地形剧烈起伏的地段。如果无法避免，允许测线有转折或弯曲，但要符合《浅层地震勘查技术规范》要求。测线要通过勘探区内钻孔，或者以钻孔为中心另行布置十字测深短测线，以了解反射层位和地质层位关系。如果有地层出露，要进行出露地层的波速测量，这有助于资料的地质解释。

12.1.3.2　地震波激发

由于炸药震源激发的地震波主频率值与药量成反比，为了提高主频率，增加方法的分辨率，应当用小炸药量激发地震波。在松散的地层中激发的地震波频率较低，应将炸药放入注水的爆炸孔中激发地震波。炸药包直径与孔径接近，紧密耦合，可提高激发能量。爆炸速度高的炸药（例如T.N.T）特性阻抗与岩土体的特性阻抗接近，能够达到阻抗匹配，能量损失小，有利于激发地震波。

勘查目的层较浅时，人工锤击是最方便的震源。应用地震仪多次叠加的功能，在同一个激发点处，多次锤击，使地震信号叠加，增强信号能量。在激发点上安放铁质或玻璃钢垫板，锤击垫板，激发的信号重复性好，主频率较高。

用三角架支撑，拉起重锤，自由落下撞击地面，激发地震波，称为机械锤击震源，其能量较强，但是频率低，装置较笨重。

国内开发了一种称为“震源弹”震源，形似猎枪子弹，放入配套的“震源枪”中，插入地面上预先挖好的孔中激发，激发能量和频率均能满足地质灾害勘查要求，比炸药安全，能够在城市中使用。

12.1.3.3　地震波接收

应当采用谐振频率高的检波器接收地震波。当前，100Hz的高频检波器是最佳选择。采用涡流型检波器就更为理想，动圈式的检波器在谐振频率以上灵敏度变化不大。涡流式检波器灵敏度随频率提高而增加，更加有利于补偿地震波高频损失，提高分辨能力。

检波器将振动信号转换为电信号后，通过地震电缆送到地震仪信号输入端，为提高分辨率必须将地震信号通过低截滤波器，使得低频成分得到衰减，压制低频求得其与高频成分处于相同数量级，显然也就是扩展了带宽，提高了分辨能力。低截滤波器的频率是可调的，正确选择频率是技术要求的重要内容。

尽量提高A/D转换器的位数，使相对较弱的高频成分获得足够位数的转换值，有助提高分辨率。目前，浅层地震仪A/D转换器已从过去的12bit（二进制位）或18bit提高到24bit。

12.1.3.4　浅层地震勘探的应用条件

在地质灾害勘查中应用浅层地震勘探方法，要分析解决地质任务的有效性，注意浅层地震勘探的应用条件：

（1）被探查的地质目的物（层）与围岩体有速度差异；

（2）如果是采用折射法，还要求被探查的地质目的物（层）的速度大于上覆地层速度值；

（3）被探查的地质目的物（层）在垂直方向上的尺度不小于地震波有效信号主波长λ的八分之一，即A/8(Widess分辨准则），否则目的物不能被地震勘探发现；

（4）工作地区如果存在有人文噪声干扰（例如城市或工矿区），必须采用有效的抗干扰措施，否则会降低方法的信噪比，影响地质效果，甚至无法工作。

12.1.4　数据处理方法

12.1.4.1　折射波数据处理方法

将记录在磁介质中的折射波数据送入计算机后，采用相位对比的方法识别折射波并拾取折射波到达各个观测点上的时间值。为了达到较好的效果，可采用计算机自动识别和拾取与人工检测相结合的方法。随后，启动折射波资料处理程序，最终输出折射界面形态图和界面速度值。

时间场法和哈莱斯（Hales）法是常用的处理解释方法，用于折射波数据自动解释。

12.1.4.2　反射波数据处理方法

反射波数据处理方法涵盖波动场理论、信号处理理论、计算数学等学科的丰富内容。

反射波数据处理的目的之一是提高信噪比，让背景噪声掩盖的反射信号显现出来。视觉能力研究表明，人眼视力动态范围约60dB(1000倍），如果地震仪A/D转换器低于10bit，它就低于视觉动态范围，此时地震监视记录中看不到反射波信息。目前地震仪 A/D转换器已高达18～24bit，远远超过视觉动态范围，采集的反射信号通过数据处理，可提取出丰富的地质信息。

反射波处理的第二个目的，是使反射波正确归位，即采用动校正、波动方程偏移等各种方法，将反射信号回归到产生它的界面上去。正确归位后的反射波表征了界面的位置和形态，是一种波动场成像的方法。

反射波数据处理，按地震处理作业流程的先后次序，可分为下列各项。

（1）预处理：

解编：将地震数据读取到计算机，解编成处理程序认可的格式。

编辑：用删除或拷贝的方法编辑不正常地震道的数据。

动平衡：将地震数据按其自身大小加权放大，实现各数据之间相对平衡。

（2）获取处理参数：

富氏分析：求得有效反射信号的功率谱，为选择带通滤波器的中心频率和频带宽度提供依据。

速度扫描：求得动校正的速度组，为动校正提供速度参数。

（3）提高信噪比处理：

数字滤波：地震信号通过带通滤波器，增强反射信号，压制噪声干扰。

相干加强：相邻地震道进行互相关运算，用相关系数作权值，调整地震道的数据。由于反射信号有较好的波形相似性，调整后获得加强，随机噪声相关系数接近于零，受到了压制。