城市淺層地震勘探過障礙變觀設(shè)計1

何銀娟 姬計法 酆少英 李 穩(wěn)王 瑞 楊宇東 季通宇

?

城市淺層地震勘探過障礙變觀設(shè)計1

何銀娟1)姬計法1)酆少英1)李 穩(wěn)1）王 瑞2）楊宇東1）季通宇1）

1）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002 2）鄭州中核巖土工程有限公司，鄭州 450003

在城市淺層地震勘探數(shù)據(jù)采集中，地震測線經(jīng)常會遇到河流、橋、交叉路口等地表障礙。為了盡量減小地表障礙造成的影響，需要對觀測系統(tǒng)作變觀設(shè)計。作者分析總結(jié)了城市淺層地震勘探中常見障礙以及過障礙變觀模式，并開發(fā)了淺層地震過障礙變觀設(shè)計軟件，利用此軟件可在采集現(xiàn)場快捷地進(jìn)行過障礙變觀。將這種方法應(yīng)用于實際工作中，有效減小了資料缺失造成的影響，提高了資料的信噪比。該軟件能夠根據(jù)實際工作環(huán)境和設(shè)備條件在野外現(xiàn)場對觀測系統(tǒng)進(jìn)行靈活變觀，設(shè)計出合理的過障礙觀測系統(tǒng)，有效地提高了變觀設(shè)計的效率。

城市活斷層探測 觀測系統(tǒng) 地表障礙 變觀設(shè)計 覆蓋次數(shù)

引言

淺層地震勘探作為探測研究地殼淺部構(gòu)造的一種有效技術(shù)手段，目前在城市活斷層探測中得到了廣泛應(yīng)用。為了能在環(huán)境復(fù)雜、各種干擾較強(qiáng)的城市中探測第四系松散沉積層內(nèi)部落差較小的地震活斷層，提取第四系覆蓋層內(nèi)部不同深度的弱反射信息和小構(gòu)造異常，城市活斷層探測通常采用高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)，且觀測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循“小道間距、小偏移距、高寬頻信號激發(fā)和接收”的原則（方盛明等，2002；劉保金等，2002；2008；中國地震局，2009；酆少英等，2010；高景華等，2012；趙成彬等，2011）。由于城市環(huán)境的復(fù)雜性，在實際的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集過程中，地震測線不可避免地會遇到江河、橋、交叉路口或?qū)挾炔坏鹊慕值赖鹊乇碚系K，這些障礙的存在將造成正常觀測系統(tǒng)中震源激發(fā)點和檢波器接收點的缺失，使地震數(shù)據(jù)采集達(dá)不到設(shè)計的覆蓋次數(shù)，從而導(dǎo)致地震疊加剖面信噪比的降低和資料缺失。因此，當(dāng)測線遇到無法回避的地表障礙時，就需要對觀測系統(tǒng)進(jìn)行變觀，以彌補(bǔ)障礙段影響范圍內(nèi)資料的缺失和覆蓋次數(shù)的不足，從而保證數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。如果過障礙觀測系統(tǒng)設(shè)計不合理，將會造成剖面資料的缺失以及無法對剖面反射波組進(jìn)行連續(xù)追蹤（圖1）。

在地震勘探觀測系統(tǒng)的過障礙變觀設(shè)計方面，許多地震工作者針對跨越不同類型障礙所應(yīng)采取的最佳變觀模式進(jìn)行了研究（梁順軍等，2006；潘文鋒等，2003；鐘紹華，1994），并總結(jié)了一些過障礙觀測系統(tǒng)模式和參數(shù)設(shè)計公式，但當(dāng)?shù)乇項l件較為復(fù)雜、障礙較多時，公式計算就不能滿足變觀設(shè)計的需要。近年來，地震勘探過障礙變觀設(shè)計新方法、新技術(shù)不斷出現(xiàn)，但大多面向石油、天然氣和煤田等三維地震勘探（晁如佑等，2010；于冬梅等，2010；楊光大等，2005；張以明等，2008；武磊彬等，2009；楊國敏等，2005）?，F(xiàn)有的觀測系統(tǒng)設(shè)計商業(yè)軟件盡管也可用于淺層地震勘探的觀測系統(tǒng)參數(shù)論證，但由于城市地震勘探的工作環(huán)境極其復(fù)雜，地表障礙物縱橫交錯，且須在不影響城市交通秩序的前提下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并開展科學(xué)合理的觀測系統(tǒng)變觀，因此，研發(fā)能在現(xiàn)場進(jìn)行快速、有效的觀測系統(tǒng)變觀設(shè)計的軟件非常重要。本文在分析、總結(jié)城市淺層地震勘探障礙類型以及常用過障礙變觀模式的基礎(chǔ)上，開發(fā)了淺層地震過障礙變觀設(shè)計軟件，利用此軟件可以快速、便捷地進(jìn)行過障礙變觀設(shè)計，為提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量提供技術(shù)保障。

1 城市淺層地震勘探中常見的障礙及過障礙觀測模式

與深層地震探測以及油氣田、煤田地震勘探相比，城市淺層地震勘探中遇到的障礙規(guī)模較小。比如，深層地震探測和油氣田勘探通常把大面積的養(yǎng)殖區(qū)、城鎮(zhèn)、居民點、江河、湖泊等作為觀測系統(tǒng)變觀的主要地面障礙（晁如佑等，2010；于冬梅等，2010；楊光大等，2005）。而城市淺層地震勘探中遇到的地表障礙主要有河流、橋、公路和十字路口等，寬度一般為幾米到上百米。由于城市淺層地震勘探的目標(biāo)層較淺，探測時采用的道間距小、排列長度短，因此，規(guī)模不大的地表障礙也會對淺層地震疊加剖面的信噪比和資料的連續(xù)性造成影響。

在城市淺層地震勘探中，采用的地震波激發(fā)源通常為可控震源，依據(jù)障礙段能否使用震源激發(fā)地震波、安置檢波器接收地震波等情況，可把城市淺層地震勘探中遇到的障礙類型分為3類，即：①不能進(jìn)行地震波激發(fā)、可安置檢波器接收地震波的障礙段；②能進(jìn)行地震波激發(fā)，但不能安置檢波器接收地震波的障礙段；③既不能進(jìn)行地震波激發(fā)，也不能安置檢波器接收地震波的障礙段。下面對這3種類型的障礙及其變觀模式進(jìn)行簡述。需要說明的是，本文在分析和討論不同類型障礙段的影響及觀測系統(tǒng)變觀模式時均以道間距2m、炮間距10m、偏移距6m、160道接收、16次覆蓋的觀測系統(tǒng)為例，并采用綜合平面圖來表示觀測系統(tǒng)。

1.1 不能進(jìn)行地震波激發(fā)、可安置檢波器接收地震波的障礙段

當(dāng)?shù)卣饻y線經(jīng)過民房或?qū)挾容^窄的民巷等障礙時，盡管可以布設(shè)檢波器接收地震波，卻無法進(jìn)行震源激發(fā)，這將降低障礙段及其附近資料的覆蓋次數(shù)，如圖2所示。圖中斜線為共炮點連線，紅色線為觀測系統(tǒng)的實際覆蓋次數(shù)，藍(lán)色線為設(shè)計覆蓋次數(shù)（文中圖件均如此設(shè)定）。

當(dāng)障礙寬度較小時，通常采用圖3（a）所示的變觀模式，該模式的特點是炮檢距不變，在障礙段的兩側(cè)加密震源激發(fā)點數(shù)，從而使得障礙段的覆蓋次數(shù)滿足設(shè)計要求。當(dāng)?shù)乇碚系K寬度較大時，若僅僅在障礙段兩側(cè)加密震源激發(fā)點，有些測段的覆蓋次數(shù)仍然達(dá)不到設(shè)計要求時則需要在障礙段的對側(cè)采用排列內(nèi)部激發(fā)、雙邊不對稱排列接收的方式，或者采用加大排列長度的方式布設(shè)炮檢點（圖3（b）、（c））。

1.2 能進(jìn)行地震波激發(fā)、但不能安置檢波器的障礙段

當(dāng)?shù)卣饻y線橫跨干線公路、大型十字路口等障礙時，盡管可以采用可控震源進(jìn)行地震波的激發(fā)，但為了不妨礙車輛、行人通行，通常不能在公路或路口的中間放置檢波器，這種類型的障礙對觀測系統(tǒng)的影響見圖4。由于這種障礙的寬度通常較窄，因此可采用觀測排列不動、加密激發(fā)點的方式來彌補(bǔ)覆蓋次數(shù)的不足（圖5）。

1.3 既不能進(jìn)行地震波激發(fā)，也不能安置檢波器的障礙段

當(dāng)測線經(jīng)過河流、橋梁、高速公路、鐵路等障礙時，既不能布設(shè)檢波器，也不能布設(shè)震源激發(fā)點，這種地表障礙對兩側(cè)排列均會產(chǎn)生影響（圖6）。在這種情況下，當(dāng)排列最后一道到達(dá)障礙段時，設(shè)定排列固定不再滾動，同時在障礙段兩側(cè)加密激發(fā)點，并且在正常施工方向障礙段兩側(cè)也加密激發(fā)點（圖7）。采用這種觀測模式，主要是為了提高障礙段影響范圍內(nèi)的覆蓋次數(shù)，彌補(bǔ)激發(fā)點和檢波點缺失導(dǎo)致的障礙段兩側(cè)地震反射數(shù)據(jù)的缺失。

在實際應(yīng)用中，過障礙觀測模式應(yīng)根據(jù)障礙的情況進(jìn)行合理變觀，變觀方案可以使用一種觀測模式跨越障礙，也可以是多種觀測模式的組合。在過障礙變觀時除了要考慮變觀后觀測系統(tǒng)要滿足設(shè)計的覆蓋次數(shù)，還要盡量減少因變觀觀測系統(tǒng)給測線施工人員增加的工作量，以保證工作效率。

2 過障礙變觀設(shè)計

為了更好地進(jìn)行城市淺層地震過障礙變觀，作者開發(fā)了淺層地震過障礙變觀設(shè)計軟件，利用此軟件可以方便地進(jìn)行觀測系統(tǒng)變觀設(shè)計，軟件的主要功能如下：

（1）觀測系統(tǒng)的繪制和顯示

通過設(shè)置觀測系統(tǒng)參數(shù)，繪制出觀測系統(tǒng)綜合平面圖，并可對測線樁號、炮號、共中心點覆蓋次數(shù)等進(jìn)行顯示和設(shè)置。

（2）變觀設(shè)計功能

在軟件中可以設(shè)置障礙段的位置，實時顯示障礙段對觀測系統(tǒng)造成的影響，通過軟件中的補(bǔ)炮、重繪、撤消、滾動等功能，交互完成觀測系統(tǒng)的變觀設(shè)計。

（3）可實時計算和顯示覆蓋次數(shù)并對不同炮檢距覆蓋次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析

軟件可對每個CMP點處的覆蓋次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，并在觀測系統(tǒng)綜合平面圖上實時顯示（圖8（a）中紅色線）；可設(shè)置參考覆蓋次數(shù)（圖8（a）中藍(lán)色線，一般設(shè)置為設(shè)計覆蓋次數(shù)）。另外，軟件還可以對測線上各CMP點不同炮檢距范圍內(nèi)的覆蓋次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計（圖8（b）），不同炮檢距覆蓋次數(shù)統(tǒng)計分析圖可以直觀地反映過障礙變觀方案對地下結(jié)構(gòu)的覆蓋情況。

（4）觀測系統(tǒng)的保存與讀取

軟件可以將觀測系統(tǒng)參數(shù)保存為文本格式文件，同時將觀測系統(tǒng)圖像保存為柵格圖形文件和矢量圖形文件，也可讀取文本格式的觀測系統(tǒng)參數(shù)文件。

3 淺層地震過障礙變觀設(shè)計實例

作者在南陽市活斷層探測的淺層地震數(shù)據(jù)采集工作中，利用開發(fā)的變觀設(shè)計軟件進(jìn)行過障礙觀測系統(tǒng)的變觀設(shè)計，取得了較好的效果。以南陽黃臺崗鎮(zhèn)測線為例，該測線沿S103省道布設(shè)，測線經(jīng)過地段的第四紀(jì)覆蓋層厚約100—150m，鉆孔揭示的新近紀(jì)地層的底界埋深為573m（鉆孔位置見圖9（c））。該測線數(shù)據(jù)采集時的觀測系統(tǒng)參數(shù)為：炮間距15m，道間距3m，接收道數(shù)160道，覆蓋次數(shù)16次。

黃臺崗鎮(zhèn)測線長度為9300m，沿途經(jīng)過了多個寬度不同的的交叉路口，在測線樁號1197—1296m之間為一條寬約100m的河流，在河流通過的區(qū)段內(nèi)既不能進(jìn)行地震波的激發(fā)，也不能安置檢波器接收地震波，障礙段對正常觀測系統(tǒng)的影響見圖9（a）。從圖中可以看出，由于障礙段震源激發(fā)點和檢波點的缺失，測線樁號957—1548m之間的覆蓋次數(shù)明顯降低。由不同炮檢距覆蓋次數(shù)統(tǒng)計分析（圖9（b））可知，炮檢距最大時，正常觀測段的覆蓋次數(shù)可達(dá)到16次滿覆蓋，而受障礙影響的測段（即957—1548m），覆蓋次數(shù)未能達(dá)到設(shè)計的覆蓋次數(shù)；與障礙段相對應(yīng)的位置上，存在“W”形的資料缺口，分析其原因是因為激發(fā)點和檢波點的缺失造成近炮檢距地震道數(shù)據(jù)的缺失；受障礙段的影響，圖中出現(xiàn)明顯的條狀帶，隨著炮檢距的增大，條狀帶內(nèi)覆蓋次數(shù)不發(fā)生變化，且低于兩側(cè)觀測系統(tǒng)覆蓋次數(shù)。采用圖9（a）觀測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集得到地震疊加剖面（圖9（c）），剖面上反射波組整體上能量較強(qiáng)，受障礙段影響，地震剖面上出現(xiàn)“W”形缺口；樁號957—1548m之間地震資料的信噪比降低，反射波組能量變?nèi)?；剖面資料缺失導(dǎo)致反射同相軸的連續(xù)性變差，甚至出現(xiàn)中斷。

為了盡量減小障礙段對地震剖面造成的影響，作者利用開發(fā)的淺層地震過障礙變觀設(shè)計軟件設(shè)計了變觀方案（圖10（a））。從圖10（a）可以看出，測線樁號957—1548m之間覆蓋次數(shù)基本上達(dá)到設(shè)計的16次覆蓋，且覆蓋次數(shù)的分布較為均勻。從圖10（b）可以看出，炮檢距達(dá)到最大時，測線樁號957—1548m之間的覆蓋次數(shù)也能達(dá)到設(shè)計的覆蓋次數(shù)；而且，變觀后條狀帶內(nèi)的覆蓋次數(shù)明顯增加，與相鄰CMP點的覆蓋次數(shù)基本一致。采用圖10（a）觀測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最終得到的反射波疊加剖面（圖10（c））信噪比明顯提高，反射波同相軸的連續(xù)性變好，剖面資料缺失情況也得到了很大程度的改善，這說明采用合理的觀測系統(tǒng)變觀，有效提高了地震疊加剖面的質(zhì)量。

4 結(jié)論

對于城市淺層地震過障礙變觀設(shè)計，主要有以下幾點體會：

（1）盡量減小過障礙最小炮檢距。在觀測系統(tǒng)設(shè)計中，選取的最小炮檢距與所要獲得的最淺目標(biāo)層有關(guān)，當(dāng)?shù)卣饻y線跨越障礙物時，實施變觀后的最小炮檢距將會變大，如果選取的值太大，淺層資料質(zhì)量將會受到影響。

（2）根據(jù)障礙的特點靈活變觀。野外數(shù)據(jù)采集時，測線遇到的地表障礙復(fù)雜多變，一條測線可能遇到多個障礙，每個障礙又有各自的特點，因此要根據(jù)障礙的具體特點、現(xiàn)場激發(fā)接收條件、現(xiàn)有設(shè)備情況等，進(jìn)行靈活設(shè)計，使得用較低的費用獲得較好的勘探效果。

圖10 利用軟件設(shè)計的過障礙觀測系統(tǒng)（a）、不同炮檢距覆蓋次數(shù)統(tǒng)計分析（b）及得到的地震疊加剖面（c）

（3）淺層地震過障礙變觀設(shè)計軟件可以作為淺層地震勘探數(shù)據(jù)采集的輔助軟件，能夠讓數(shù)據(jù)采集人員在現(xiàn)場實時掌握和分析障礙的影響范圍和程度，對觀測系統(tǒng)進(jìn)行靈活變觀，設(shè)計出合理的過障礙觀測系統(tǒng)，以保證地震剖面的質(zhì)量。

晁如佑，付英露，石一青，魏燕，成云，李金蓮，2010．復(fù)雜障礙區(qū)三維地震觀測系統(tǒng)變觀設(shè)計方法及應(yīng)用．復(fù)雜油氣藏，3（4）：31—34．

方盛明，張先康，劉保金，徐錫偉，白登海，姬繼法，2002．探測大城市活斷層的地球物理方法．地震地質(zhì)，24（4）：606—613．

酆少英，龍長興，高銳，石金虎，楊卓欣，譚雅麗，寇昆朋，2010．高分辨折射和淺層反射地震方法在活斷層探測中的聯(lián)合應(yīng)用．地震學(xué)報，32（6）：718—724．

高景華，徐明才，2012．地震方法確定活動斷裂上斷點的影響因素分析．地震地質(zhì)，34（2）：338—347．

梁順軍，肖敏，唐怡，蔡友宏，張延充，劉定錦，2006．二維地震過障礙觀測系統(tǒng)模式及其參數(shù)設(shè)計．石油地球物理勘探，41（1）：1—7．

劉保金，張先康，方盛明，趙成斌，段永紅，朱金芳，黃昭，黃宗林，王善雄，鄭德剛，2002．城市活斷層探測的高分辨率淺層地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)．地震地質(zhì)，24（4）：524—532．

劉保金，柴熾章，酆少英，趙成斌，袁洪克，2008．第四紀(jì)沉積區(qū)斷層及其上斷點探測的地震方法技術(shù)—以銀川隱伏活動斷層為例．地球物理學(xué)報，51（5）：1475—1483．

潘文鋒，賈隨良，梁春生，王小山，皇甫煊，2003．靈活二維觀測系統(tǒng)設(shè)計及其應(yīng)用．石油物探，42（1）：39—41．

武磊彬，郭龍芳，束雙偉，2009．Klseis軟件在復(fù)雜地表地區(qū)三維地震勘探設(shè)計中的應(yīng)用．中國煤炭地質(zhì)，21（S2）：93—95．

楊光大，郭東啟，李忠惠，周德，2005．乾安城區(qū)特殊觀測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用．石油地球物理勘探，40（4）：377—380．

楊國敏，劉偉，盧君實，2005．綠山MESA軟件在三維高分辨地震勘探中的應(yīng)用．煤炭技術(shù)，24（10）：89—91．

于冬梅，溫俊鳳，吳智強(qiáng)，碗學(xué)儉，楊素玉，王永平，2010．三維采集現(xiàn)場快捷變觀設(shè)計在濮城區(qū)的應(yīng)用．石油地球物理勘探，45（S1）：9—12．

張以明，白旭明，張登豪，杜武智，王朝陽，2008．城（礦）區(qū)高精度三維地震采集技術(shù)．中國石油勘探，（2）：29—36．

趙成彬，劉保金，姬計法，2011．活動斷裂探測的高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)．震災(zāi)防御技術(shù)，6（1）：18—25．

中國地震局，2009．DB/T 15—2009．活動斷層探測．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社．

鐘紹華，1994．二維地震勘探靈活觀測系統(tǒng)施工設(shè)計．石油地球物理勘探，29（S1）：156—162．

Design of Urban Shallow Seismic Obstacle-Crossing Geometry-Variable

He YinJuan1)，Ji Jifa1)，F(xiàn)eng Shaoying1)，Li Wen1)， Wang Rui2)，Yang Yudong1)and Ji Tongyu1)

1) Geophysical Exploration Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China 2) China Nuclear Geotechnical Engineering Co., LTD, Zhengzhou 450003, China

In urban shallow seismic data acquisition, the seismic line often encounters the surface obstacles such as rivers, bridges, crossroads, and etc. To decrease the influence of these surface obstacles, the survey geometry is needed to be changed. After summarizing and analyzing common obstacle types and obstacle-crossing geometry, the authors develop a shallow seismic obstacle-crossing geometry-variable design software. In the field this software can be used to design obstacle-crossing geometry quickly and easily. By applying this method in the practice, the result shows that the obstacle-crossing geometry designed by the software improves the quality of seismic section and increases the ratio of signal to noise effectively. We conclude that the shallow seismic obstacle-crossing geometry-variable design software is helpful in flexibly designing obstacle-crossing geometry on the basis of field conditions and equipment, thus is capable of improving the efficiency of geometry-variable design for data acquisition.

Urban active fault survey；Geometry；Surface obstacle；Geometry-variable design；Fold number

1基金項目 地學(xué)長江計劃安徽段空氣槍震源試驗——深部精細(xì)結(jié)構(gòu)和活動斷層探測、中國地震活動斷層探察-華北構(gòu)造區(qū)項目（200908001）和中國地震局地球物理勘探中心青年基金項目（YFGEC2017003）共同資助。

2016-01-18

何銀娟，女，生于1984年。工程師。主要從事反射地震數(shù)據(jù)采集與處理方面的工作。E-mail：heyinjuanpublic@126.com

姬計法，男，生于1970年。高級工程師。主要從事深、淺反射地震探測與研究。E-mail：fifth-lab@qq.com

何銀娟，姬計法，酆少英，李穩(wěn)，王瑞，楊宇東，季通宇，2017．城市淺層地震勘探過障礙變觀設(shè)計．震災(zāi)防御技術(shù)，12（1）：115—124．doi：10.11899/zzfy20170112