黃土塬區(qū)多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)分析

唐文，李江，汪鐵望

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077； 4.中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司研究院 長慶分院，陜西 西安 710021)

0 引言

瑞雷面波通過對一個炮點(diǎn)排列進(jìn)行分析，得到該排列中心點(diǎn)深度范圍內(nèi)的面波頻散特性，通過反演得到該點(diǎn)縱向的速度分布，多點(diǎn)聯(lián)合插值，可獲得地下的縱橫波速度結(jié)構(gòu)特征。作為一種地震探測方法，面波勘探早期常被用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。利用其頻散特征和速度與巖石物理學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性可以解決各種工程地質(zhì)問題[1]，20世紀(jì)七八十年代逐漸被引入工程勘探領(lǐng)域。近年發(fā)展起來的多道瞬態(tài)面波用于查明工程區(qū)覆蓋層厚度并進(jìn)行地層劃分[2]，工程巖體質(zhì)量評價[3]，土石混填路基施工質(zhì)量檢測，測量土壤，斷層及其他構(gòu)造帶等取得了較好的效果[4]。與其他探測方法相比，多道瞬態(tài)面波法具有野外工作簡便快捷，施工設(shè)備輕便，淺層分辨率高、檢測速度快等眾多優(yōu)點(diǎn)，日趨得到廣泛的應(yīng)用[5-7]。

黃土塬區(qū)地形起伏較大，地震地質(zhì)條件復(fù)雜，常規(guī)勘探設(shè)備不易到達(dá)，開展鉆探、反射地震勘探等存在較多難點(diǎn)[8]。特別是在淺層地質(zhì)調(diào)查中，常規(guī)反射地震勘探方法基本無法獲得近地表信息，難以取得理想的探測效果。多道瞬態(tài)面波可以適應(yīng)地形起伏較大地區(qū)的勘查工作，大大提高了淺層的分辨率，彌補(bǔ)了常規(guī)地震勘探方法的不足。地震勘探的實(shí)踐證明，黃土塬區(qū)地震勘探中面波最為發(fā)育，能量較強(qiáng)，因此可以嘗試在黃土塬區(qū)開展面波勘探工作?；诖?，我們開展了多道瞬態(tài)面波法在黃土塬區(qū)地質(zhì)調(diào)查中的試驗(yàn)研究。目前，多道瞬態(tài)面波理論方面的研究已經(jīng)較為成熟，但是在工程實(shí)際應(yīng)用，特別是在黃土塬區(qū)的應(yīng)用中，野外數(shù)據(jù)采集參數(shù)往往不被重視，而合理的采集參數(shù)正是該方法獲得成功的關(guān)鍵。文中通過開展多道瞬態(tài)面波的數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，對原始數(shù)據(jù)及其頻散特征進(jìn)行對比，從而分析了不同震源激發(fā)及不同參數(shù)對數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響，總結(jié)出了適合于黃土塬區(qū)地質(zhì)調(diào)查和工程應(yīng)用的多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)采集參數(shù)和方法。

1 多道瞬態(tài)面波方法簡介

瞬態(tài)面波法在探測時主要依據(jù)瑞利波在介質(zhì)中傳播時穿透深度與波長的相關(guān)性及其在層狀介質(zhì)中傳播的頻散特性。根據(jù)采集方式的不同，瞬態(tài)面波可以分為表面波譜分析法(spectra analysis of surface wave，SASW)和多道瞬態(tài)瑞利波法(multi-channel transient surface wave，MTSW)[9]，實(shí)際應(yīng)用中表面波譜分析法采用兩道接收，施工簡單，分辨率相對較高，但由于所采用的瑞利波低頻成分較少，因此探測深度較淺；多道瞬態(tài)面波方法采用多道接收，相對于兩道面波勘探方法具有許多優(yōu)越性[10]：首先，可以在時間剖面上準(zhǔn)確識別面波所在的時空位置，從而為設(shè)計合理的面波觀測時窗提供依據(jù)；其次是可以在多道采集的有效面波記錄上根據(jù)波形的時序關(guān)系分析各種波形的來源；最后是可以通過對多道記錄的互相關(guān)系，求取平均頻散曲線，進(jìn)一步提高解釋的精度，因此，多道瞬態(tài)面波法在工程中應(yīng)用更廣泛。

多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)采集常用端點(diǎn)激發(fā)，多個檢波器等道間距排列的觀測系統(tǒng)(圖1)，排列長度一般與探測深度相關(guān)，偏移距、接收道數(shù)和道間距等根據(jù)探測目標(biāo)深度所要求的分辨率等因素決定。震源一般有大錘、夯、炸藥、可控震源等。多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理分為數(shù)據(jù)預(yù)處理，波形處理，頻譜分析和成果顯示4部分，基本流程見圖2。

圖1 多道瞬態(tài)面波觀測系統(tǒng)示意

圖2 多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理中主要任務(wù)是去噪處理，保留面波以及提取頻散曲線[4]。其中主要處理方法是利用建立在二維傅里葉變換基礎(chǔ)上的f-k變化，基本過程如下：首先在原始記錄上根據(jù)瑞利波視速度及波形特征選定瑞利波計算區(qū)域，確定瑞利波x-t域窗口，利用二維離散傅里葉變換得到頻譜函數(shù)，根據(jù)能量最強(qiáng)原理，在譜函數(shù)能量圖中拾取能量最大線就是瑞利面波的f-k曲線。通過反演獲得地下介質(zhì)的速度分布特征和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可以用來進(jìn)行構(gòu)造、地層等識別和劃分，解決相關(guān)地質(zhì)任務(wù)。

2 數(shù)據(jù)采集參數(shù)論證

2.1 不同震源激發(fā)對比

面波勘探中，震源能量的大小與所激發(fā)的瑞利波信號強(qiáng)度、頻帶寬度及主頻密切相關(guān)，是影響其探測深度的關(guān)鍵因素。研究表明，瑞利波頻率越低，穿透深度越深，同時穿透深度與波長成正比[12-14]。試驗(yàn)中選取錘擊多次疊加和夯擊兩種激發(fā)方式進(jìn)行對比，其中錘擊震源質(zhì)量約8 kg，夯擊震源質(zhì)量約60 kg，激發(fā)時抬升高度約1.5 m。結(jié)果表明兩種激發(fā)方式均能獲得較好的瑞利面波記錄(圖3)，對面波記錄進(jìn)行處理(圖4)，其中頻率與瑞利波相速度所對應(yīng)的能量譜峰值能量團(tuán)為所提取的頻散曲線，可以看出兩種震源激發(fā)得到的頻散曲線基階模速度范圍基本一致，均在500～600 m/s，相比之下，錘擊多次疊加激發(fā)的基階模頻帶范圍在6～16 Hz，夯擊震源激發(fā)的基階模頻帶范圍在8～20 Hz，試驗(yàn)表明錘擊震源更有低頻優(yōu)勢。

圖5為錘擊震源分別在1～4次激發(fā)能量疊加時的原始記錄對比。1次激發(fā)的記錄中，隨傳播距離和深度的增加，面波能量逐漸減弱，減小了探測范圍和探測深度；同時頻散能量團(tuán)相對分散，不利于頻散曲線的提??；隨著疊加次數(shù)的增加，面波能量逐漸加強(qiáng)，頻帶范圍拓寬，提取的頻譜中分辨率提高；3次激發(fā)疊加即可取得較好的原始記錄，所激發(fā)的瑞利波主頻較低，有效地加大了探測深度，同時獲得的面波記錄能量增強(qiáng)，頻譜分辨率提高；再增加單點(diǎn)激發(fā)的疊加次數(shù)時，面波記錄能量和頻率變化不大。另外通過多次疊加激發(fā)的記錄，不僅增強(qiáng)了激發(fā)能量，同時還壓制了一些隨機(jī)干擾，明顯提高了單點(diǎn)記錄的信噪比。

圖3 不同震源激發(fā)記錄

圖4 不同震源激發(fā)記錄頻散能量特征對比

圖5 錘擊不同疊加次數(shù)記錄對比(自左向右1～4次疊加)

相比在地面上直接敲擊，激發(fā)時增加金屬墊板，可以較好地控制震源能量的衰減和發(fā)散，所獲得的記錄更有利于提取其頻散曲線。

2.2 接收道數(shù)和道間距

檢波器接收道數(shù)與道間距的組合對探測深度、分辨率及頻譜的計算和提取具有重要的影響。道間距決定頻率波數(shù)域中的波數(shù)分辨率和最大波數(shù)。接收道數(shù)和排列長度則決定著空間縱橫向的分辨率。一般來說，瑞利波相速度反映了半個波長深度范圍內(nèi)介質(zhì)的平均力學(xué)特性，傳播過程中瑞利波的最小波長決定了所能探測的最小深度，最大波長決定著能探測到的最大深度，理論分析與實(shí)驗(yàn)表明，瑞利波的最大波長與檢波器的排列長度有關(guān)，通常最大波長約是排列長度的1～2倍。針對第四系黃土層中層間速度差異小，層內(nèi)厚度大等特點(diǎn)，采用小道距，多道接收的方式進(jìn)行對比試驗(yàn)。圖6為道距2 m時，不同接收道數(shù)的瑞利波頻譜對比，采用24道接收時，瑞利波的低階和高階信息混在一起，分離不是很明顯，同時頻帶范圍較窄，低階分辨率較低；當(dāng)采用36道接收時，低階與高階信息開始分離，振幅峰值集中，分辨率明顯提高；采用48道接收時，分辨率進(jìn)一步提高。當(dāng)采用更多接收道數(shù)時，剖面效果改善已經(jīng)不很明顯。采樣定理要求道間距x和波長λ滿足x<λ/2，在滿足采樣定理的情況下，通常宜采用較大的或增加接收道數(shù)。在黃土塬區(qū)地質(zhì)調(diào)查中，主要以解決淺層黃土覆蓋層厚度內(nèi)構(gòu)造及速度分層情況為主，結(jié)合工作效率和分辨率，一般情況下道距取2～4 m，36道以上接收即可滿足探測精度的需要。

2.3 偏移距

偏移距的設(shè)置是野外數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵參數(shù)，在面波數(shù)據(jù)采集中，一般應(yīng)當(dāng)根據(jù)所記錄的瑞利波最大波長來確定，偏移距與最大波長λmax之間關(guān)系如下：

Offset=a×λmax

式中，a為轉(zhuǎn)化系數(shù)，Stoke等根據(jù)SASW方法確定的經(jīng)驗(yàn)值一般取a=0.5，Paik等[15]確定的經(jīng)驗(yàn)值為0.1～0.5。Zhang S X等研究了偏移距與瑞利波相速度和波長之間的關(guān)系[16]：

式中，vmin為瑞利波最小相速度，Δv為瑞利波最大相速度和最小相速度之差。

a—24道;b—36道;c—48道

在面波分析中，檢波器布設(shè)在離震源不足x0的距離內(nèi)是無法接收到瑞利波信號的，因此x0可以被視作最小偏移距，記為offsetmin，根據(jù)彈性波相關(guān)理論，可以根據(jù)目的層深度d對最小偏移距進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)估算[17]：

Offsetmin≈0.75d。

為抑制近場效應(yīng)，最小偏移距應(yīng)大于上式計算的估計值。在以上理論計算公式指導(dǎo)下和黃土塬區(qū)的地層結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)估算出最大和最小偏移距的范圍。試驗(yàn)中采用0～20 m，變化步長4 m的偏移距進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，試驗(yàn)所獲記錄顯示偏移距對數(shù)據(jù)采集質(zhì)量影響相對較小(圖7)，對原始記錄進(jìn)行進(jìn)一步的分析可知：當(dāng)偏移距較小時，頻散曲線顯示了相對較寬的頻帶范圍，但分辨率較低；當(dāng)偏移距增大至8～10 m時，基階模與高階模信息的頻帶范圍逐漸變窄，分辨率提高；當(dāng)偏移距繼續(xù)增大時，基階模頻帶范圍雖然繼續(xù)變窄，但是由峰值所組成的頻散曲線變得模糊和不規(guī)則，分辨率稍有降低，不利于頻散曲線的提取。

a—4 m;b—8 m;c—12 m

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和分析，當(dāng)偏移距較小時，高階和低階模式的瑞利波信息混合在一起，頻帶范圍較寬，分辨率較低；當(dāng)偏移距較大時，頻帶范圍變窄，高低階信息可逐漸分開，分辨率提高，但表現(xiàn)不穩(wěn)定。合理的偏移距取值應(yīng)根據(jù)探測目標(biāo)層深度及該地區(qū)的瑞利波相速度來選擇，然后通過對比試驗(yàn)來確定最佳偏移距。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 工區(qū)概況

工區(qū)大部分被第四系黃土層覆蓋(圖8)。據(jù)以往勘探鉆孔揭露，本區(qū)黃土層一般厚度30～50 m，最大厚度大于150 m。干燥松散的黃土層速度400～700 m/s，密度小，孔隙度大，對地震波能量吸收衰減極為強(qiáng)烈，造成地震波高頻成分的嚴(yán)重?fù)p失，不利于反射地震勘探，但保留了大部分的低頻成分。本區(qū)黃土垂向分層明顯，覆蓋層與下伏基巖速度密度差異較大，物性差異明顯，有利于驗(yàn)證面波地震勘探的應(yīng)用效果。

圖8 工區(qū)淺層巖性和露頭

3.2 數(shù)據(jù)采集

通過采集參數(shù)的試驗(yàn)分析，實(shí)例應(yīng)用中采用錘擊作為震源，3次疊加，儀器使用Geometrics數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用4.5 Hz低頻面波檢波器，接收道距2 m，偏移距6 m，48道接收，激發(fā)點(diǎn)距48 m。

3.3 處理成果

對單點(diǎn)頻散曲線進(jìn)行反演[18-20]，整合后獲得的橫波速度剖面見圖9。由圖可見橫波速度在200～700 m/s的范圍之間，探測深度可達(dá)40 m左右。在剖面淺部橫波速度較小，與下部地層存在一個明顯的速度過度帶，參考《建筑設(shè)計抗震規(guī)范GB50011-2010》中黃土類型劃分和剪切波速度范圍，由圖可見，0～10 m范圍速度小于200 m/s，為松散的粘性土和粉土，10～20 m之間速度在200～380 m/s之間，可解釋為可塑性黃土，20 m深度以下速度大于500 m/s，因此判斷為致密的堅硬黃土。橫波剖面的解釋成果與區(qū)域地質(zhì)資料中對該區(qū)黃土層厚度描述基本一致，表明本次面波勘探效果有效可靠。

圖9 面波處理剖面

4 結(jié)論

在多道瞬態(tài)面波數(shù)據(jù)采集中，震源、道間距，接收道數(shù)和偏移距等參數(shù)的選取是影響原始記錄的關(guān)鍵因素。①通過黃土塬區(qū)多道面波數(shù)據(jù)的采集試驗(yàn)，對不同參數(shù)所記錄到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，總結(jié)了地質(zhì)調(diào)查中關(guān)鍵采集參數(shù)的選取方法和較為合適的取值范圍。②工區(qū)的實(shí)際應(yīng)用表明多道面波可以對近地表速度結(jié)構(gòu)和地層進(jìn)行更為精細(xì)的評價，在黃土塬區(qū)地質(zhì)調(diào)查具有應(yīng)用優(yōu)勢。