橫波地震探測(cè)應(yīng)用實(shí)例

藍(lán) 星 ，李洋森 ，張 瑋，周 武

（1.成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國(guó)海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100）

0 前言

地震勘探是使用人工方法激發(fā)地震波（彈性波），沿側(cè)線布置地震儀器，根據(jù)組成地層的各種巖石或介質(zhì)具有不同的彈性，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘貙又袀鞑r(shí)，其傳播路徑、旅行時(shí)間、波形、振幅等都將隨介質(zhì)的彈性以及地層界面幾何形態(tài)的不同而發(fā)生變化，進(jìn)而查明地下地質(zhì)情況的一種傳統(tǒng)地球物理手段。地震勘探應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，具有精度高，分層詳細(xì)，探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，在尋找石油、天然氣、煤等重要資源普查中，發(fā)揮著重要的作用［1、2］。而在工程勘查中，地震勘探主要查明第四系覆蓋層厚度及分層，基巖埋深及基巖面形態(tài)，以及存在不良地質(zhì)構(gòu)造的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀、走向等情況。傳統(tǒng)的地震勘探方法主要是指縱波，而對(duì)橫波的技術(shù)應(yīng)用較少，這主要是因?yàn)闄M波的激發(fā)、接收和識(shí)別在相關(guān)技術(shù)上都要困難、復(fù)雜得多。近年來(lái)，各個(gè)省市的公路、鐵路、勘察設(shè)計(jì)院等相關(guān)部門在研究地震勘探方法的同時(shí)，也相應(yīng)做了一些關(guān)于橫波反射的實(shí)驗(yàn)研究工作。但由于以上原因，橫波反射勘探技術(shù)在工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用較少，我國(guó)在橫波地震勘探的研究還基本處于起步階段［3～5］。

橫波波速低，波長(zhǎng)短（某些地區(qū)橫波波長(zhǎng)僅為縱波波長(zhǎng)的五分之一），在松散地層中的傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于縱波，并且由于橫波特殊的傳播特性，可以不受地下水影響，對(duì)潛水面的松散層勘探很有利?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，橫波地震勘探成為一種抗干擾能力強(qiáng)、分辨率高的勘探方法，尤其在100m 以內(nèi)的淺層勘探，需要查明多處較小地質(zhì)體的情況下，具有傳統(tǒng)縱波地震勘探所無(wú)法比擬的分辨率和解釋精度［5～8］。

1 橫波勘探基本原理

在縮脹力作用下產(chǎn)生的縱波，可以在固、液、氣三種狀態(tài)下傳播。而橫波是由剪切力產(chǎn)生的，在氣體和液體中，介質(zhì)的剪切模量為零，不能傳播橫波［9］，因此橫波只能在固體介質(zhì)下傳播。而縱波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，橫波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波的傳播方向，因而兩者的偏振特性也成為縱波、橫波的主要區(qū)別。

由相關(guān)的波動(dòng)理論可得，彈性介質(zhì)中縱波和橫波的傳播速度可表示為式（1）。

其中Vp、Vs分別為縱波和橫波的傳播速度；μ為介質(zhì)的剪切模量；E為介質(zhì)彈性模量；v為介質(zhì)的泊松比；ρ為介質(zhì)的密度。根據(jù)式（1）可知縱波、橫波比為：

由于介質(zhì)的泊松比的取值范圍一般在0～0.5之間，因而有：

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 工區(qū)概況簡(jiǎn)介

綿竹市漢旺鎮(zhèn)是“5·12”汶川大地震的受災(zāi)極其嚴(yán)重的地區(qū)之一，為了抗震減災(zāi)以及今后災(zāi)后重建工作的開(kāi)展，需要對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況做一個(gè)比較系統(tǒng)的了解。而橫波勘探作為勘探手段之一，也將對(duì)相應(yīng)的地球物理特性做出評(píng)價(jià)。由于地震后該地區(qū)淺部地質(zhì)信息相當(dāng)復(fù)雜，因此橫波勘探的高分辨率和高精度的優(yōu)點(diǎn)能更很好地體現(xiàn)出來(lái)，為后期的科研工作做好鋪墊。

2.2 野外工作方法評(píng)述

在震源上，應(yīng)該要選擇一塊大小和質(zhì)量符合要求的枕木，并且在枕木的底部釘上帶有鋸齒狀的鐵釘，以此保證枕木可以和地面有良好的接觸，可以產(chǎn)生足夠的剪切力，然后用24磅鐵錘側(cè)敲枕木作為觸發(fā)。為了提高反射波的能量，一般采用多次敲擊的方法，但過(guò)多的敲擊次數(shù)也會(huì)降低反射波的頻率，因此在保證反射波能量的前提下應(yīng)盡量減少敲擊次數(shù)。

本次勘探采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究生產(chǎn)的WZG—48A 工程地震儀器，檢波器采用專門的橫波檢波器，全通帶濾波。

施工測(cè)線一條，總長(zhǎng)度為48m，采用六次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)系統(tǒng)如圖1所示。具體為中間放炮，炮間距1m，道間距1m，12道接收的六次覆蓋系統(tǒng)。

2.3 資料處理

在進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集后，需要對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)處理。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)專門針對(duì)橫波地震勘探資料研發(fā)的處理軟件，橫波資料處理常常采用縱波處理軟件和流程，而橫波地震資料又具有速度和頻率都相對(duì)較低的特點(diǎn)。因此應(yīng)在常規(guī)處理流程外，應(yīng)對(duì)各方面的參數(shù)和流程進(jìn)行精細(xì)測(cè)試、對(duì)比，以期達(dá)到更好的效果。圖2（見(jiàn)下頁(yè)）是常規(guī)縱波處理流程。

圖1 六次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Six cover observing system

圖2 常規(guī)縱波處理流程Fig.2 Conventional longitudinal wave processes

在此基礎(chǔ)上做好常規(guī)處理以外，還應(yīng)該做好以下兩點(diǎn)：

（1）精細(xì)靜校正。由于受地表起伏，地表低速帶等影響，野外的原始記錄中的反射波有一定錯(cuò)動(dòng)。為了消除這種錯(cuò)動(dòng)，避免影響后續(xù)的疊加處理，降低資料質(zhì)量，必須進(jìn)行精細(xì)的靜校正，以提高資料的信噪比。

（2）多次反褶積。反褶積是提高地震縱向分辨率的有效方法，其中包括最小平方反褶積、脈沖反褶積、地表一致性反褶積等方法。具體選擇哪種方法則應(yīng)該因地制宜，具體考慮。同時(shí)為了避免反褶積處理帶來(lái)的信噪比降低的問(wèn)題，應(yīng)配合使用帶通濾波，τ－p變換等。

2.4 資料解釋

見(jiàn)下頁(yè)，圖3、圖4分別是淺層地震橫波、縱波單炮記錄，中間激發(fā)，12道接收。

下頁(yè)圖5及圖6（見(jiàn)后面）分別是反射地震橫波、縱波F－K頻譜分析。由圖5及圖6可看出，反射橫波主頻范圍在40Hz左右，而反射縱波主頻范圍在60Hz左右。反射縱波主頻大于反射橫波主頻。

野外采集的橫波地震資料，經(jīng)過(guò)上述的數(shù)字處理后，得到了經(jīng)過(guò)水平疊加的時(shí)間剖面。圖7（見(jiàn)后面）是處理后的淺層地震橫波時(shí)間剖面。

剖面內(nèi)地震反射波可見(jiàn)剖面層次清晰，分辨率較高：

（1）在20ms處附近有一單相位的波組基本水平且連續(xù)性較好，東段能量較西段稍強(qiáng)，定名為T1。

（2）在50ms處附近有一單相位波組，東段能量較西段稍強(qiáng)，西段分叉為兩個(gè)弱相位，東段的連續(xù)性較好，定名為T2。

（3）在100ms處附近有一單相位波組，中間部份明顯與東、西兩端有錯(cuò)動(dòng)，東段能量較西段稍強(qiáng)，定名為T3。

從圖7中還可見(jiàn)，三段波組西高東低，呈現(xiàn)整體下降趨勢(shì)。

圖8（見(jiàn)后面）為對(duì)應(yīng)工區(qū)縱波地震時(shí)間剖面，可發(fā)現(xiàn)二者在產(chǎn)狀和深度上均有較好的一致性，但縱波波長(zhǎng)較長(zhǎng)，分辨率較低，相比而言，橫波分辨率明顯高于縱波，對(duì)于小型地質(zhì)體和斷裂破碎帶的分辨識(shí)別能力較強(qiáng)。而再往下，由于橫波能量穿透能力差，在其剖面上只有時(shí)斷時(shí)續(xù)的波組，但是在縱波剖面上還有較為連續(xù)的兩個(gè)波組，推測(cè)為強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化層以及微風(fēng)化層的分界面。結(jié)合地質(zhì)資料，并根據(jù)相應(yīng)的振幅特征、頻率變化，速度關(guān)系可分層為：

（1）T1主要為粘土層，其橫波速度在90m／s左右，縱波速度為450m／s。

（2）T2主要為夾雜著小塊卵石的粉砂巖，其橫波速度在250m／s左右，縱波速度為1 150m／s。

（3）T3主要為強(qiáng)風(fēng)化砂巖和泥巖，中間部份有明顯的斷層，其橫波速度在450m／s 左右，縱波速度為1 700m／s。

T1、T2、T3波所分別對(duì)應(yīng)的深度約在3 m～4.5m、8.3m～9.6m、15.4m～18.5m。整體為西高東低的下降趨勢(shì)，在20m 左右處地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈。

3 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

作者通過(guò)對(duì)橫波地震勘探的理論探索及實(shí)際運(yùn)用的研究，表明該方法是具有較高分辨率和精確度的淺層地震勘探技術(shù)方法。特別是對(duì)埋藏不深的第四系覆蓋層及其下伏基巖的探測(cè)有著重要的意義，能較好地完成工程勘探任務(wù)。不過(guò)由于地震地質(zhì)條件等諸多因素的限制，橫波地震勘探也不可能解決一切地質(zhì)問(wèn)題。在進(jìn)一步的研究和學(xué)習(xí)實(shí)踐中，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）橫波激發(fā)場(chǎng)地問(wèn)題。橫波是靠地面施加剪切力而產(chǎn)生的，松軟的介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生塑性形變，錘擊的能量被大量吸收。因此應(yīng)選擇在較為堅(jiān)實(shí)的路面，錘擊能量才能激發(fā)出較強(qiáng)的地震波，避免在軟弱土層上施工作業(yè)。

（2）速度的求取問(wèn)題。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于種種原因，鉆井資料無(wú)法覆蓋所有目的層，不能得到全部實(shí)際地層的有效橫波速度，滿足不了需求。在這種情況下，合理利用反射縱波、折射波等其它勘探方法，聯(lián)合多種地球物理手段，彌補(bǔ)橫波勘探，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以期能達(dá)到效果、利益的最大化。而在速度的反演過(guò)程中，尤其當(dāng)遇到實(shí)際情況比較復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，應(yīng)采用比較先進(jìn)正演和反演計(jì)算方法，提高計(jì)算精度，以便獲得更為可靠的結(jié)果。

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