浅层地震反射与散射联合成像法在工程探测中的应用

王 荣

(铁一院陕西铁道工程勘察有限公司，陕西宝鸡 721001)

浅层地震勘探在工程勘察中主要用于查明地层界面、基岩起伏形态，以及查明断层位置、宽度、倾角、倾向等方面，与电法勘察手段比较，其优势在于资料处理上减少了人为解释误差。随着中国高速铁路的建设，桥梁基础勘察在铁路工程勘察中的比重越来越大，沉积岩地区地质透镜体、薄层的勘察，石灰岩地区岩溶的发育情况、暗河位置、深度等等问题摆在设计人员的面前。

浅层地震反射是利用地层介质弹性差异来探测地层的一种方法，常规的方法是通过人工地面激发地震波，当地震波遇到弹性或密度不同的地层界面时，会产生波的反射，人们通过分析反射波的时域和频域特征，来探明地层的构造特征。当地层较复杂时，地震波遇到不规则异常体或地层透镜体边缘时，在产生反射波的同时，会产生散射波。处理资料的时候，通常会把散射波当作干扰信号进行压制和消除处理，这样在解释资料时失去一部分有用的信息，同时会增加解释误差和误判。浅层地震反射与散射联合成像法在处理反射信号时，增加了处理散射信号的数学模型，可以更好地反映地层结构。

1 浅层地震反射与散射联合成像原理

地震波在传播过程中遇到不同波阻抗地质界面时，会产生反射波、折射波，当遇到地质体边缘、透镜体、不规则体(孔洞和裂隙等)时，就会像光学中的衍射一样，产生波的散射。联合成像法资料的处理是以反射波处理为基础，把记录上的反射信号和散射信号同时聚焦到空间位置上，计算聚焦信号的平均振幅，用振幅等参数反映地质构造。

当纵波以α角入射到分界面上，将产生反射纵、横波和透射纵、横波4个二次波，波的反射系数和透射系数与纵波波速、地质体密度和入射角α相关。由数学模型推导可得:①地震波在垂直入射时不存在转换波，只有同类的反射波和透射波，这是地震垂直反射法勘探法的理论基础，并且波阻抗差越大反射波能量越强。②能量主要分布在透射波上，入射角的变化对透射系数影响不大，数学模型显示曲线变化平稳。反射系数随入射角的增大而减小，在α＜20°的范围内反射系数变化较小，这是地震纵波反射工作最为有利的角度探测范围。

2 工程实例

2.1 薄层互薄层探测工点

工区地质概况:工区位于吉林省公主岭市北侧，桥址区地貌单元为微丘状剥蚀平原区，东辽河二级阶地，八里桥沟河谷一级阶地和二级阶地，双龙河、现代河谷及其阶地等地貌单元。

地质概况:上覆第四系全新统冲积粉质黏土、砂层。粉质黏土主要分布于地表，褐黄色、浅灰色，厚约1.3～7.40 m。以下黏土、粉土、细砂、中砂、粗砂、砾砂以及细圆砾土等呈透镜体状分布于粉质黏土层以下，厚2.4～10.0 m。钻孔揭示基岩为白垩系泥岩夹砂岩、泥岩夹砾岩。泥岩:紫红色、棕红色，泥质结构，层状构造，钙泥质胶结，多见泥砾，层理和节理裂隙发育，全风化－弱风化。砂岩:灰白色、浅灰色，中细粒结构，层状构造，泥质胶结，偶见钙质胶结，层理和节理裂隙发育，局部含圆砾，全风化－弱风化。

任务要求:查明桥址范围内的覆盖层厚度及泥岩、砂岩详细分层。

测线布置及野外工作方法:根据规范结合现场实际情况，首先选择代表性的区域进行观测，对偏移距、排列方式、激发及接收方法等技术参数试验，确定最优的工作参数和工作方式。选择炮点距为2 m，偏移距和检波距均为1 m，即振源与两个检波器的距离依次为1 m和2 m，测试时锤子(振源)和两个检波器以2 m的等间距沿测线由小里程到大里程的方向移动。工作主要参数如下。

接收道数:2道;

炮点距:2 m;

偏移距:1 m;

道间距:1 m;

采样点数:2 048;

采样间隔:100μs;

测量方式:小偏移距方式(近似为垂直入射)。

资料处理:

首先读取实测信号记录，执行时域编辑功能，此功能主要为检查信号质量，剔除明显干扰信号，并对测量信号与实际勘测里程进行关联。

在正确输入信号测点坐标之后，即可执行频域分析对信号作频谱分析和滤波处理，对处理后的信号，执行相关分析对信号进行速度扫描相关计算。对于得出来得各地层速度，对应相关钻孔剪切波测试结果进行相应调整。

地震成像处理阶段，根据钻孔和实际地层实际情况，本工点选择以下参数绘制时间、深度剖面图。相关半径:15;成像结果:振幅+;算法模型:联合;倾斜:水平。得到地震成果如图1。

由地震成像原理可知，成果图中呈绿色的区域，表明基岩比较均匀，无反射面;而天蓝色、黄色、红色线条表明地震波在此深度有反射和散射产生，颜色的变化表明反射或散射能量的变化，即该深度地层界面反映的强度变化。本次探测较好地反映了地层情况，减少了大量的钻孔，为设计方案提供了依据。

图1 火炬特大桥成果图

2.2 岩溶探测实例

工区位于广西省贺州市贺街镇三步梯境内，设计为双幅特大桥。地貌上属山岭重丘陵区低山谷地及河流堆积阶地，地形起伏较大;低山海拔一般在204.71～134.26 m，山势较陡峻，山体植被较茂密;谷内发育一条常年流水河，河道宽约60.00 m，呈“S”形展布，水质清澈，流向大致由南向北，汇入贺江。河流两侧为一级阶地及低山丘陵，丘陵坡面较陡，局部基岩出露;阶地地势平缓、开阔。

桥址区地层结构上部为第四系全新统冲积卵石土、第四系全新统坡积含碎石亚黏土，下伏基岩为泥盆系中统东岗岭组灰岩、泥灰岩。

任务要求沿线路K53+950 m～K54+120 m左右两侧12 m布置两条物探剖面，查明溶洞的位置及岩溶发育情况。

测线布置及野外工作方法:根据规范结合现场实际情况，本次工作采用炮点距为2 m，偏移距和检波距均为1 m，采用100 Hz的检波器进行接收。实验发现，激发振源采用人工敲击木桩的方法不但可以产生丰富频率成份，而且声波噪声信号较低，特别适用于稻田以及积水地带开展工作，是一种非常实用有效的激发方式。

工区地球物理条件:

测区内第四系残坡积层、基岩的不同风化层之间速度变化差异相对较大，根据对钻井岩层的纵波测试，得到该区的岩体波速统计数据表(表1)，由于不同介质具有较大的波阻抗(Z=ρV)差异，这为应用地震反射波法提供了较好的前提条件。对于地下充满水的溶洞而言，由于水的波阻抗与围岩波阻抗相比很小，对反射波的形成特别有利。如果溶洞被空气所充填，由于空气密度几乎为零，地震信号将会发生全反射。另一方面，由于地震波在含水和潮湿介质中衰减较慢，测区所具有的较浅的地下水位对应用反射法十分有利。

表1 测区介质及岩石波速参数统计分类

由地震成像原理可知，地震剖面图像中高值异常表明地震波在该点有反射或者散射产生，异常值越大表明该处反射界面越明显。根据工区地质特点可知，当异常分布比较连续，具有层状形态时是地层界面反映。反之，当异常表现为无规则离散分布时，一般所对应的是岩溶洞穴等地质异常体。由此对三步梯大桥K54+167左12 m ～K54+452左12 m、及 K54+167右12 m～K54+452右12 m两条剖面进行分析，可以得出K54+167～K54+452右侧12 m剖面范围内地层岩溶发育较左侧剖面严重，同时也反映了两剖面岩溶的位置及深度。

3 工作中体会及注意事项

在工作前，对偏移距、排列方式、激发及接收方法等技术参数进行试验，确定最优工作参数和工作方式。

根据工点实际地质情况，选择合适的数学模型及其共反射点和共散射点记录提取方法，所选用的模型越接近真实地质条件，成像精度就会越高。

对于单次覆盖记录剖面而言，对于不同的工点及任务，采用不同的相关半径及算法模型，对真实反映地层、压制噪声和提高成像精度十分有效。

成像速度是联合成像中的重要参数，在较理想条件下应用速度谱分析方法即可准确求取。实际工作中通过钻孔的波速测试，取得该工点各地层的纵波波速，可以更精确划分各地层及深度。

［1］ TB10102—2004 铁路土工试验规程［S］

［2］ TB10013—2004 铁路工程物理勘探规程［S］