地震纵波横波联合勘探方法寻找近地表第四系内隐伏断裂方法研究

李颜贵 ， 蒋正中 ， 刘子龙 ， 雍 凡 ， 罗水余

(中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000)

0 前言

随着人类社会和经济的飞跃发展，工程建设的规模越来越大，各种自然和人为因素对建筑和工程设施的影响作用也越来越强，其中以活动断裂为主的地质灾害的影响日益成为各国的高度重视。在区域地壳稳定性研究中，活动断裂成为重要的考虑因素，活动断裂的活动性主要反映在对地面裂缝、地面沉降以及地面塌陷的控制和诱导作用并可能引起地震的发生，其形成的条件是活动断裂由于地应力长期的集中，在一定条件下的突然释放。或者活动断裂长期缓慢的蠕滑而造成地表产生地裂缝、地面塌陷等。京津地区有大量的活动断裂和大的构造，所以研究京津地区地壳的稳定性，防范地质灾害，就要充分研究京津地区的活动构造，尤其是隐伏在平原区松散层之下的活动断裂，掌握其分布范围、活动规律以及影响范围和影响程度。在活动断裂的调查方面，前人做了大量工作，徐明才等[1-5]进行了大量纵波寻找活动断裂方面的研究，取得了显著效果；在利用横波寻找活动断裂方面，白云等[6]中国地震局兰州地震研究所[7]等进行了初步尝试，取得了一定的效果；RogerA. Young[8]利用SH波在美国Oklahoma州Norman附近的一个老垃圾场进行横波调查，在使用锤击震源取得了较好的勘探效果；使用重锤激发，能量有限，激发能量人为因素影响大，勘探的深度和效果不理想，同时激发的主频低，阻碍横波应用[9]，但这局限性为研究横波勘探活动断裂提供了很好的研究方向：使用能量大的可控震源，提高激发的能量和频率；因此本次实验选择能量更大的可控震源激发横波，通过调整震源震动方向及横波检波器放置方向来接收SH、SV两种横波进行研究，通过使用可控震源，纵横波勘探深度和资料的信噪比有了明显提高，对准确寻找地表第四纪未固结沉积层中的隐伏断裂上断裂点提供了技术支撑。

1 地质概况与地震地质条件

纵、横波实验测线位于北京马坊环岛，与2011年进行的“北京平原区活动断裂监测专项地质调查项目”中地震勘探项目WT26线位于同一位置，该断裂为夏垫断裂的北部，基岩埋深较浅，夏垫断裂是北京平原区一条重要的活动断裂，北起平谷马坊、夏垫、西集、凤河营到廊坊以西一带。走向NE30°，倾向SE，倾角为65°～70°，为正断层。1679年平谷马坊8级大地震就发生在该断裂带上，是一条活动断裂，在第四系地层内，有不同颗粒的砂层、粘土层及亚粘土层等不同岩性的地层。由此可推测，除该区基岩界面产生的反射信号外，盖层内反射地震信号将比较丰富。除了粘土和细砂层之间界面的波阻抗差异能引起反射外，砂层中夹的粘土薄层和粘土层中夹的薄砂层都能产生地震响应而被记录下来，风化层与未风化的基岩地层之间的速度和密度差异较大，这些界面也能够形成较强的反射波被记录下来。在该地区分布有四口钻井，其中测线经过ZK8和ZK9钻井，已有钻井资料可以对试验结果进行验证，粘土层、砾石层和细沙层分布不均，这恰好为地震解释研究层位的变化提供依据。

2 方法技术

2.1 纵向分辨率与横向分辨率

在浅层地震地勘探中，地震记录所反映的各种地质构造的清晰度取决于地震资料的分辨率。地震勘探的分辨率就是分辨各种地质体和地层细节的能力，它包括纵向分辨率和横向分辨率；纵向分辨率也叫垂向分辨率或时间分辨率，它是指地震记录沿垂直方向能够分辨的最薄地层的厚度，通常的含义是从地震记录上能够正确地识别地层顶、底界面的反射波，通过经典的薄层模型实验得到规律。纵向分辨率主要与地震波的波长直接相关，即与地震波的速度和频率有关，横波的速度低，在该实验区内横波的速度是纵波的0.2倍～0.4倍，通过分析实测频谱曲线可知，SH波频率相对较低，SV波频率和纵波频率接近，这与詹正彬[10]所叙述的SH、SV频率一致；SV横波速度低，主频和纵波频率接近，这样可以提高纵向分辨率，对于区分薄层地层，特别是未固结的地层有较好的分辨能力。横向分辨率也叫水平分辨率或空间分辨率，它是指地震记录沿水平方向能够分辨的最小地质体的宽度。地震波是以球面波的形式向前传播，当遇到波阻抗界面就产生反射，地震波有个延续时间，根据波的叠加原理，当初至波波前面的时差为1/4个周期内将产生相长干涉，其双程旅行时间比垂直入射到界面的反射被的双程旅行时间晚半个周期以上，因而产生相长干涉。我们把产生反射波相长干涉的有效界面称为第一菲涅尔带，理论证明可知其半径：

式中：r第一菲涅尔带半径；v为地震传播速度；h为界面深度；f为地震波主频。由于横波的速度较低，特别是在为固结的软土地层，纵波的速度比横波的速度高几倍，在主频变化不大的情况下，横波的横向分辨率要比纵波高，从图3速度谱就可以清楚看到。

2.2 数据采集技术

合理的数据采集技术是提高浅层高分辨率地震勘探的基础，横波的激发常采用扣板法激发，能量较小，且适用条件较差；本次实验采用美国IVI公司制造的MiniVib系列T2500先进可控震源，包含了从纵波输出到横波输出的一套组件，既能激发常规纵波，又能激发横波，独特的“minivib”震源横波输出技术可以让操作者随意调节震源器与接收排列之间的角度，宽频带5 Hz～550 Hz的高频输出，体积小、重量轻，是理想的浅层地震勘探震源。纵波采用96道、零偏移距、3 m道距，具体参数见表1。横波通过调整震源震动方向及横波检波器放置方向来激发和接收SH、SV两种横波，激发SH波和P波野外采集一样，只需要调整震源的震动方向与检波器的方向一致，即90°垂直测线方向，激发方向沿Y方向作用的水平力源只能激发SH波，布设横波检波器水平芯体正方向指向Y正方向，检波器在炮点两端布置一样，采集的单炮记录存在震源的两边有极性相反的情况，道编辑改变极性。每种横波单独激发采集，这样避免了调整角度的问题；在利用可控震源进行数据采集前，进行野外数据采集试验：扫描类型试验、扫描频率试验和扫描时间试验等，采集参数见表1；另外，还进行了垂直叠加次数的试验：为压制干扰，除利用可控震源的扫描叠加压制干扰外，还利用垂直叠加技术(每个物理点垂直叠加2 次～3次)进一步压制噪声，提高地震记录的信噪比，通过增加震动次数和扫描时长，保证在同一地点多次激发能量均衡稳定、振幅谱和自相关稳定；由于纵波勘探深度深，线性升频扫描的信号在向下传播的过程中，纵波的高频部分损失较大，降低了浅层的分辨率；通过分析横波单炮记录的振幅、能量可知，在中浅部，地层对能量的衰减是呈现指数型衰减，设计采集衰减系数倒数的指数型扫描信号，弥补了高频信号能量，压制了扫描信号的自相关旁瓣幅度；采用地面力回馈信号相关，保证接收到的信号是地层真实的反映；由于激发横波震源的震动方向在水平方向，震源的能量输出要相对小些，通过实验可知，当增加能量输出在60% 时，8边形锯齿与地面耦合发生位移，单炮记录存在震源干扰，调整扫频方式为线性扫描和震源输出能量为40%，震源干扰减弱或消失；另外，由于横波激发和接收的方向特性匹配原则[10]，激发SH波沿Y方向作用的水平力源，这样SH波的能量最强，SV波和P波最弱为零；同理，x方向作用的水平力主要产生SV波，远偏移距，入射角度变大，会产生能量强的转换PV波，处理较困难；通过实验及计算，60道180 m偏移距采集，能减弱转换波在大偏移距的影响；本次实验为揭露的断层深度在100 m以内，为了验证断层从深至浅的连续性，通过扩展排列实验和干扰波调查，采用“最佳时窗”原则，使用96道接收，非对称中间激发， 3 m小道间距，12 m炮距，水平覆盖次数12次。

表1 纵横波采集参数表

2.3 数据处理

地震数据处理主要包括：解编、定义观测系统、编辑、振幅补偿、叠前去噪、速度分析、动校正、叠加、叠后去噪、偏移等。为达到理想的处理效果，在正式处理数据前，进行处理参数分析和处理效果对比试验，选用有效的处理模块编排流程，选择了最佳的处理参数。本次资料处理工作也借鉴了以往深层地震探测资料处理解释的经验，并做了一些改进；通过试处理，发现有效的叠前去噪技术、速度分析技术是此次数据处理流程中的关键步骤，整个纵波数据处理流程如图1所示。横波的数据处理有其本身的特点，传播的方式和速度不同，但数据处理的基本方法是相同的，处理流程如图1所示，去噪、振幅恢复采用些非常规的方法处理，处理的难点主要：①横波的速度分析：横波速度低，速度在150 m/s～300 m/s，本次处理软件采用的是帕拉代姆帕拉代姆公司Focus5.4处理软件，拾取速度和速度扫描最低速度在320 m/s，不能使用该模块；②横波的静校正：虽然地表起伏不大，但是横波的静校正求取与常规的不同，特别是横波的折射波，其上面的P波、初至波等干扰波比横波折射波速度高，如图3(b)速度分析上面速度较高的就是P波反射波和折射波，LOVE波干扰大偏移距的SH反射波信号及折射波，折射波识别和提取困难，静校正较难，如图3(b)所示单炮记录200 ms以上各种干扰波(反射波、折射波、震源线性干扰波、面波和初至波)；③横波振幅恢复和能量补偿：在潜水面处有很强的波阻抗界面，其上伏地层因其覆盖次数低叠加效果不好，在其下屏蔽了较深层的反射波，能量很弱，看不到反射层，如图2(a)SH单炮记录所示；④横波数据弱信号的提取，SH的反射波在大偏移距信号受Love波干扰，由于其速度接近与SH波，常规的FK域去噪差，而在小偏移距内没有受到Love波干扰，但有线性干扰，使反射波难以识别；⑤反褶积，对可控震源激发的地震信号进行反褶积有两种途径，直接对震动记录进行，另外是对相关记录进行，现在的处理基本上是最小相位的反褶积，而反射波的基本上是混合相位的，存在浅层应用反褶积效果反而变差的情况。

根据以上难点，采用了适合本工区的处理方法和处理流程：①对速度分析和常速扫描，对现有观测系统进行改进，通过理论计算，提升速度10倍，也满足地震勘探原理，这样处理模块就能正常使用，经过对比，效果较好；②采用先去强噪声后，在进行地表一致性振幅恢复，利用速度抬升后，拾取的速度进行速度和频率域二维滤波、相关滤波、倾角FK滤波和叠前多域去噪(干扰波在不同的域上的表现形式不同，分别在炮域、共检波点域、共偏移距域去噪)，如图3(b)所示，去噪效果明显，速度谱能量更集中，拾取更准确，反射波更清晰，特别是深层的反射信号；

图1 纵横波数据处理流程图Fig．1 P and S wave processing flow chart

图2 SH波多域去噪、压制面波、线性干扰和震源干扰对比剖面Fig．2 SH pave gather is compared with multi-domain suppress interface wave, linearity noise and source noise after suppressing noise(a) SH单炮记录；(b)CDP域去噪；(c)炮域串联反褶积；(d)多域组合LIFT去噪

图3 速度抬升前后压噪及速度分析对比剖面Fig．3 Gather is compared with suppressing noise and velocity analysis after velocity uplifts(a) 未速度抬升；(b)速度抬升后；(c) NMO

③横波的频率和速度与Love波频率和速度接近，采用频率域和速度域去除效果不好，但在小偏移距内，SH反射波是标准的双曲线型，通过拉东变换和速度拉伸切除的方法，去除大偏移距内的噪声，在小偏移距内，利用线性去噪、倾角FK滤波去除震源线性干扰，对比图2(d)和3(b)，中间的线性干扰能量很弱，小偏移距内的Love波去除的较干净，如图3(c)所示，600 ms大偏移距内的Love波经NMO后，动校拉伸切除和叠加后可以去除大部分Love波；④采用预测反褶积和零相位反褶积组合串联的方法，可以看出效果明显，如图2(c)所示，可以看出，采用地表一致性振幅恢复前后对比图，300 ms～600 ms的反射波较清晰；叠后的数据采用了谱白化，从而抬升了去噪和叠加后对信号的主频降低，从而提高了信号的分辨能力，处理过程中没有加入混波参数，混波虽然能增强振幅，但容易丢失有用的地震振幅信息；⑤横波在震源两侧，存在极性反转，采用道编辑极性反转，或采用负偏移距整体静校正，校正量为正偏移距的半个周期，消除极性相反的影响。

3 应用效果与分析

如图6所示，根据该剖面的波组特征，解释了3组反射波T0、T1、T0-1。结合钻孔柱状对比图(图5)，可以推断出T0为第四系底界面产生的反射波,反射波的深度在180 m，T1为白云岩顶界面反射波，深度在240 m左右；T0-1第四系内的粘土与粗沙层产生的强波阻抗界面产生的反射波深度在80 m左右。这些反射波组连续性较好,可连续追踪对比。CDP108、CDP195和 CDP280处解释有3条断层F1-F3,其中F1和F2条断层都使T1反射波发生了错断，而F3没有，但上面的反射波组有相应的不连续，不能准确地判断是否延伸到了第四系内部，F2使T0-1反射波发生了错断，但是具体错断到哪个深度和层位，纵波难以确定，这需要勘探精度更高的横波勘探进行解释，这3条断层相距较近，推测为同一组断层。F2断层的可靠性较高，与夏垫断裂的中深部构造对应较好，夏垫断裂为正断裂，从走向、倾向SE和倾角，结合纵波的勘探结果确定的布置钻井的位置；在断层附近，反射波的信噪比较低，连续性较差，结合图4和ZK8～ZK9可知，地层在244 m处白云岩层见棕黄色含砾粘土，222 m处见次级断裂，且见断层擦痕，第四系内部，地层变化较剧烈，对于第四系内部的分层纵波分层已难以解决，T0-1反射层部分不连续可能是地层变化剧烈造成的，如果第四系内部小的错段，不会引起断层附近的地层发生明显破碎，大体上会填充断层泥，而且需要结合横波的资料。

图4 第四系等厚线图Fig．4 Quaternary system isopach map

图5 钻孔地层剖面柱状对比图Fig．5 Drilling stratigraphic correlation diagram

如图7和图8所示，横波的勘探深度在150 m以内，反射波受断层破碎的影响较小，其信噪比相对较高。根据地震剖面上的波组特征，结合已掌握的地质资料，认为F1～F3断层为本次实验重点探测的夏垫断裂。根据测区第四系等厚线图(图4)和钻孔柱状对比图(图5)，在图5的粘土层和砾石层接触面，有强反射，且和深度剖面对应较好，SH波和SV波的叠加剖面的分辨率有较大差异，是不同类型的波反映的介质特征的差异所致，推断SV波在断层附近发生椭圆偏振[10]，断层附近反生转换。在已知钻井验证、这几种波的地震特征对比后，联合探测解释，主要是相位和振幅，特别在断层F2和断层F3处，结合钻孔揭露层位对比，地层的标定较强的波阻抗差异的层位，横波在第四系内部分三个层位，从浅到深T0-3、T0-2和T0-1，断层F2在SH剖面上显示到达了40 m，SV剖面是60 m，不同类型的横波反映的介质特性有差别，SV波在F2断层在60 m处振幅和速度变化不明显，但SH波明显，地下地层结构复杂，具体产生的原因，需要探讨，在F3断层附近两种横波都较明显，速度和振幅都发生变化，深度和位置对应交好(图3)，设砾石层速度等于导出的均方根速度(245 m/s)，SV波主频为70 Hz，那么粘土层1/4波长厚度就为0.88 m，SH主频为50 Hz，粘土层1/4波长厚度就为1.23 m，即钻孔内土层的变化在3 m内都可以在横波的剖面上反映出来。ZK8和ZK9在第四系内部粘土层分布不均匀，变化较大，横波剖面的强反射同向轴与粘土层位置、深度变化一致，说明使用横波勘查第四系土层的变化层位准确、深度可靠。横波地震剖面推断F1-F3断裂，SH波深度剖面F3断裂已经延伸到了20 m左右层位，因上层反射波层位信噪比较低，已难判断是否延伸更浅层位；SV波深度剖面在20 m左右层位，其上反射波层位信噪比相对较高，推断断层已延伸到该层位，结合SH波资料，综合二种横波剖面，推断F3断层延伸到了20 m，在T0-3层位之上；结合地质资料，其地层应该是Q3p的晚期，这与地质、电法资料和钻探揭露的一致。

4 初步结论

通过纵、横波试验研究，结合钻孔层位资料，基本上控制了夏垫断裂在第四系内部断层的走向、具体延伸位置及其活动特性，对断层在第四系内部发育情况有了新的认识：横波勘探发现了第四系内部发育一定数量的次生隐伏断裂，并且断裂延伸到了更新世晚期，断层深度较浅，横波勘探对于第四系内部的分层有较好的效果。

图6 3 m纵波深度地震剖面Fig．6 3 m P wave depth seismic section

图7 3 m SV波深度地震剖面Fig．7 3 m SV wave depth seismic section

图8 3 m SH波深度地震剖面Fig．8 3 m SH wave depth seismic section

鉴于横波资料的特点，横波的去噪和速度分析是横波数据处理的难点，通过对横波资料处理、解释及与钻井资料对比结果，寻找近地表第四系内隐伏断裂方法横波勘探效果明显，但还有许多问题值得进一步研究：浅层纵波及横波深度偏移后基本没有变化，这与以往的处理有很大差别，推断可能是速度变化较小。通过开展纵、横波浅层地震勘探寻找隐伏断裂方法研究也取得了一些经验：①从数据采集入手，采用高性能的勘探设备，适宜的震源、最佳的观测系统，利用合理的抗干扰手段，获得最佳地震记录；②浅层地震数据处理以提高分辨率为主要目的，浅层地震数据在达到要求分辨率的基础上，减少修饰手段，如小的异常经过混波后，异常消失或减弱；在合适的时窗下进行速度、频率域二维滤波、相关滤波及叠前多域去噪，对提高分辨率有较好的效果；处理过程中对数据要进行时频分析，去噪以适合为主；速度抬升后的速度分析、常速扫描提高波速拾取准确度，叠加速度准确；③横波勘探在浅层活断层调查中具有明显优势，纵向分辨率和横向分辨率都较高，能分辨薄的地层且定位准确。在条件允许的情况下进行多波勘探，能够弥补传统纵波勘探丢失的近地表沉积层信息，联合其他地球物理方法，如高密度电法，间接研究断裂附近的土层的破碎程度，清晰掌握地下结构由浅至深的空间展布形态有一定效果。

致谢

特别致谢北京地调院王志辉工程师提供的部分地质和钻井资料。

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