高速岩体反射地震探测中的数据采集与处理

李 稳 郭雯雯 侯黎华 酆少英 刘保金

1 中国地震局地球物理勘探中心, 郑州市文化路75号, 450002 2 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京市北土城西路19号, 100029 3 郑州财经学院信息工程学院, 郑州市天河路36号, 450049



高速岩体反射地震探测中的数据采集与处理

李 稳1,2郭雯雯3侯黎华1酆少英1刘保金1,2

1 中国地震局地球物理勘探中心, 郑州市文化路75号, 450002 2 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京市北土城西路19号, 100029 3 郑州财经学院信息工程学院, 郑州市天河路36号, 450049

为了调查内蒙古阿拉善某高放废物地质处置库预选场址中目标花岗岩体的空间展布、内部结构和边界接触关系，应用人工反射地震探测技术，采集数据并进行处理，获得了针对大型高速岩体的近地表速度剖面和地震反射波法成像剖面。针对崎岖地表工区近地表速度建模与层析静校正、强散射干扰波压制等问题，引进基于MSFM射线追踪算法的初至波旅行时层析反演与层析静校正技术、改进的矢量分解压噪方法等，并在常规高分辨反射地震数据处理流程的基础上形成了适合于高速岩体地震探测的精细数据处理流程。

高放废物地质处置库；高速岩体；反射地震勘探；初至波层析反演；矢量分解法

对于高放废物的最终处置，目前普遍接受的方案是把高放废物埋置在距离地表500～1 000 m的地质体中[1]。深部地质体的完整性与稳定性是选址工作中的一项关键因素。为了对高放废物地质处置备选场址进行准确全面的评价，需要进行构造地质、水文、地球物理、钻探等多方面的研究，地震勘探是其中一项重要内容。与在沉积区开展的地震勘探工作[2-3]不同，内蒙古阿拉善某高放废物地质处置库选址中的地震探测是以大型高速花岗岩体为探测目标，在数据采集和后续资料处理中始终面临着地表崎岖、近地表低速层带横向变化剧烈和高速岩体顶界面埋深极浅甚至直接出露于地表等诸多不利因素的影响。为了解决这些问题，本次地震勘探在野外数据采集和资料处理阶段引进了一些具有针对性的技术。

1 工作区概况与地震测线位置

地震探测工作区位于内蒙古自治区西部，巴丹吉林沙漠东缘，海拔1 300～1 500 m。工作区所在位置见图1。图中，红色线条为结合最新地质研究成果和卫星图像解译出的推测断层，需要进一步的地球物理探测工作和详细的地质勘查工作来核实。

图1 推测断层及地震测线位置分布图Fig.1 Might exist faults and the location of seismic lines

根据已发表的研究成果[4]，测区内出露的地层主要包括前寒武纪变质表壳岩系、中下侏罗统芨芨沟组(J1-2j)、下白垩统巴音戈壁组(K1b)和第四系。测区总体上可分为西北部的晚古生代岩浆活动带和东南部的中新生代盆地两大地质单元(图2)。中新生代盆地主要为侏罗-白垩纪的砂砾岩沉积；晚古生代岩浆活动带主要分布着晚古生代的侵入岩，在岩浆岩带中残留着前寒武纪变质结晶基底及早古生代岩浆岩，并被印支期岩浆侵入。工作区内岩浆岩在空间上多为北东东向延伸，褶皱构造不发育，不同延伸方向的断裂构造及韧性剪切带是区内主要的构造形迹。

根据探测目标、地质任务，并经过现场踏勘，布设了2条近平行的地震测线，分别命名为塔木素1线(TMS1)和塔木素2线(TMS2)，在图1、图2中以蓝色线条标示。两条地震测线均自南向北探测。其中，TMS1线(40.712 961 4°N、103.131 005 3°E～40.797 889 9°N、103.085 105 8°E)起于新呼都格附近大范围的三叠纪花岗岩(Tηγ)出露区，穿过巴嘎·额尔崩北部的第四系冲洪积物(Qhpl+eol)覆盖区，以及海子·阿德尔根韧性剪切带，总长度10.196 km。TMS2线(40.648 470 1°N、103.258 013 3°E～40.794 809 5°N、103.205 057 1°E)起于测区东南部中新生代盆地内部，穿过陶来阿木韧-脆性变形带、 扣尔根·呼都格一带大范围的晚二叠世花岗岩(P3γδ)出露区、呼和·温多尔一带三叠纪花岗岩(Tηγ)出露区、地表基本被第四系上更新统洪积物(Qp3pl)覆盖的伊和图克木白垩纪盆地的西南角以及盆地西侧的呼和·温多尔-查干陶勒盖韧性剪切带，总长度16.856 km。

根据区域构造研究成果，塔木素2线横跨测区东南部的中新生代盆地和西北部的晚古生代岩浆活动带两大地质单元，沿测线地表施工条件复杂，其探测成果能够体现目标岩体的南部边界、风化层或盖层以下岩体稳定部分的顶界、岩体内部精细结构(尤其是有无断层、破裂面的存在以及它们的性质)，能够更好地反映在崎岖地表工作区开展以高速岩体为探测目标的地震探测工作的特点，因此将其作为本文重点讨论的内容。

1.全新统冲洪积物Qhpal 2.全新统洪积+风积物Qhpl+eol 3.上更新统洪积物Qp3pl 4.下白垩统巴音戈壁组K1b 5.中下侏罗统芨芨沟组J1-2j 6.三叠纪中细粒二长花岗岩Tηγ 7.早三叠世中细粒含斑二长花岗岩T1ηγ 8.晚二叠世中粒似斑状二长花岗岩P3ηγπ 9.晚二叠世中细粒花岗闪长岩P3γδ 10.晚二叠世中粒含斑石英闪长岩P3δο 11.晚二叠世中细粒闪长岩P3δ 12.中二叠世二云母花岗岩P2γ 13.中二叠世似斑状二长花岗岩P2ηγπ 14.中二叠世片麻状石英闪长岩P2δο 15.早石炭世片麻状二长花岗岩C1ηγ 16.扎盖图片麻岩Zhgn 17.前寒武片岩岩组Pt3sch 18.前寒武角闪斜长片麻岩岩组Pt3bpg 19.前寒武黑云斜长片麻岩岩组Pt3phg图2 研究区地质构造纲要图与地震测线位置Fig.2 Geological structure map of study area and the location of seismic lines

2 观测系统设计与地震数据采集

2.1 地震仪器与地震观测系统

本次地震探测使用法国Sercel公司生产的SN408数字地震仪。地震检波器采用固有频率为60 Hz的高频检波器，以3串1并的方式连接。从提高地震资料信噪比和分辨率的角度出发并兼顾环保和安全问题，地震波激发源选用了M18-612型大吨位可控震源，工作方式为连续变频扫描，扫描频率20～160 Hz，扫描长度12 s。

除了仪器因素，合理的地震观测系统对获得好的探测结果同样至关重要。由于是首次对研究区开展地球物理探测工作，施工时没有可参考的地下速度结构研究成果，因此遵循“密集点距、密集炮距、多道观测、高频激发、宽带接收”的原则设计地震观测系统，部分采集参数结合现场试验确定。最终形成的地震观测方案为：道间距4 m；接收道数300道；炮间距24 m；采样间隔1 ms；记录长度3 s；单边追逐激发或中间激发双边不对称接收；覆盖次数≥25次；最小和最大偏移距视不同测段的地质条件和干扰波的发育情况现场确定并适时调整(通常最小偏移距为4～16 m，最大偏移距约为1.2 km)。

如图3所示，本次地震勘探沿测线地表起伏明显、高程变化剧烈，属于崎岖地表的范畴。当遇到障碍测段时，为了保证对地下反射信息的连续追踪，需要根据障碍类型、规模、现场激发接收条件等采取合理的改变观测系统设计(简称变观设计)。在本次野外施工过程中，根据现场障碍情况并结合中国地震局地球物理勘探中心自主研发的浅层地震勘探过障碍变观设计软件进行变观处理，最终形成的TMS2线地震观测系统综合平面图见图4。

图3 TMS2线沿测线地表高程变化曲线Fig.3 Surface elevations along TMS2 line

图4 TMS2线地震观测系统综合平面图Fig.4 Seismic geometry of TMS2 line

图5为TMS2线上3幅典型的野外单炮地震记录(TWT为双程走时)。可以看出，当地震排列位于中新生代盆地上方时(图5(a))，可接收到大量的反射信息，地震记录中反射波同向轴丰富；而当地震排列位于高速岩体上方时，如图5(b)和图5(c)所示，地震记录上的反射波信号稀疏而且微弱。这是因为对于较为致密的高速岩体单元，虽然其表面波阻抗较大，但其内部的波阻抗差却很小，因此在岩体内部能够形成的反射信息不足。

图5 典型原始野外单炮记录Fig.5 Typical original single-shot seismic records

2.2 地震数据处理

对于本次地震探测来说，沿测线地表高程落差大，地貌横向变化显著，老地层、岩体顶界面埋深浅甚至直接出露于地表，并且大部分岩体出露部分风化严重。因此复杂地表工区近地表速度建模与层析静校正问题、强散射干扰波压制问题是本次地震数据处理工作中的重点和难点。我们在常规高分辨反射波法地震数据处理流程的基础上，引进了基于MSFM(multi-stencils fast marching，多模板快速步进)射线追踪算法的初至波旅行时层析反演技术，建立了准确、精细的近地表速度模型，并利用所获得的速度模型成果完成了后续对于陆上复杂地表工区地震勘探至关重要的层析静校正工作；同时，利用改进的矢量分解压噪方法在叠前滤除地震散射干扰波。

2.2.1 崎岖地表工区近地表速度建模与层析静校正

地震波走时层析成像是解决速度建模问题的重要技术，高效、高精度且能适应复杂模型的射线追踪算法[5-6]是该技术的关键。有别于传统的试射(Shooting)法和弯曲(Bending)法，MSFM射线追踪算法是一种将波传播描述为波前面扩展，通过求解用程函方程描述的波前面演化，再从接收点沿地震波走时梯度方向追踪得到接收点和震源点之间路径的射线追踪算法[7]。利用该算法进行射线追踪突破了层状假设，使能够利用的地震初至波包括直达波、回转波、折射波或多个层折射波的组合。

图6 塔木素2线近地表速度层析反演结果Fig.6 TMS2 line near-surface velocity tomography result

图6为利用该技术得到的TMS2线近地表速度层析反演结果。这一高精度、高分辨的速度建模结果可以直接应用于后续的层析静校正处理(图7)，还可以作为进行地震解释工作时重要的参考资料。

图7 层析静校正处理效果Fig.7 Tomographic static correction processing effect

2.2.2 利用改进的矢量分解压噪方法滤除近地表散射波

地震散射波是当散射障碍体的线度与入射波波长相比很小或相近时，由于干涉效应产生的与散射障碍体几何形状的规则性有关的相干或不相干波列[8]。当表层介质小尺度非均匀性强时，易产生强烈的地震散射波干扰，并且往往以众多散射波互相叠加的复杂形态出现。本次地震探测工作区内不同尺度的非均匀地质体共生，老地层、岩体顶界埋深浅且横向变化大，沿地震测线戈壁、陡坎以及风化严重的岩体露头随处可见，因此强散射干扰波在本次获得的原始地震记录上普遍存在，严重影响着地震数据的品质。根据前人的研究成果，散射波的速度与面波相当，但散射波的频段位于有效波的频段范围内[9]，因此对散射波的处理不能采用简单的频率滤波手段。在本次数据处理过程中，利用散射干扰波与有效反射信号传播方向不同的特点，选用了改进的矢量分解法保幅去噪技术[10-11]在叠前滤除散射噪声。

图8为某散射噪声干扰严重的典型单炮地震记录去噪前、去噪后以及滤出的噪声图像。可以看出，经过处理，有效反射波同相轴显得更加清晰和连续，地震记录信噪比得到显著提高。在图8(c)展示的滤出的噪声图像上可以直观地看到，滤出的噪声散射特征明显，并且在噪声剖面上基本观察不到有效波同相轴的影像。

图8 改进的矢量分解压噪方法滤除地震散射波Fig.8 De-noising scattered wave using the improved vector resolution noise removal approach

在前文基础上，本次反射地震探测最终形成如下的常规数据处理流程(图9(a))和精细数据处理流程(图9(b))。两者之间的主要区别为：在常规处理流程中，静校正工作通过高程静校正+折射静校正的方法完成，对于近地表散射波干扰未进行针对性处理。在精细处理流程中，通过高精度速度建模与层析静校正更为合理、有效地解决了陆上复杂工区地震资料的静校正问题，并对地震散射干扰波进行了重点压制。特殊处理方法所得的中间处理结果对于改善后续速度分析、叠加、偏移成像等诸多处理环节的效果均有有益影响。

3 数据处理结果对比分析

图10为对TMS2线地震数据进行常规处理(图10(a))和精细处理(图10(b))后得到的反射波时间偏移剖面。图11是根据图10(b)以及图6所示的近地表速度层析反演结果作出的地震解释剖面图。可以看出，在常规处理结果中，由于静校正问题和近地表散射波问题的存在，直接影响了对风化层和盖层以下岩体稳定部分顶界面的追踪。剖面浅部来自岩体顶界的反射波组同相轴连续性不佳；对于某些同相轴错断的位置(如5 500、9 000 m剖面桩号的下方)，难以判断其是否预示着小型裂隙的存在。在剖面南端反映中新生代盆地内部结构的剖面部分，反射波同相轴的连续性、清晰度及其所揭示的地层产状的可靠性等均有待进一步加强。在进行精细处理所得的反射波成像剖面上，由1～2个强能量同相轴组成的来自岩体稳定部分顶界的反射波组相对连续。通过对比可以发现，该反射波组在横向上的起伏变化形态、连续性特征与图11(a)所示的高速体顶面特征相一致，并且与图2所揭示的不同岩性出露区之间的分界存在良好的对应关系。在剖面桩号约4 240 m以南反映中新生代盆地内部结构的剖面部分，图10(b)也显示了更好的成像效果。

图9 数据处理流程图Fig.9 Data processing flow

图10 塔木素2线数据处理结果对比Fig.10 The contrast of data processing results of TMS2 line

利用本次地震勘探成果进行地震地质解释(见图11)，首先在剖面南端可以可靠地识别出AU1、AU2、和AU3三组不整合构造关系。其中，AU3为分隔了目标岩体与其南侧中新生代盆地的目标岩体边界。在AU1、AU2两侧，上覆与下伏的反射波组之间存在明显的交角，反映出上覆地层与下伏地层的产状不一致并以一定的角度相交，这种现象正是角度不整合构造关系在地震剖面上的典型反映。同时，在近地表速度剖面(图11(a))上，与AU1、AU2、AU3所对应的位置存在梯度特征明显的速度分界。根据反射波场特征，可在地震剖面上识别出4个断点，分别以FP1～FP4标示，其位置如图中红色虚线所示。此外，还可识别出一组来自岩体深部的弧状反射波组，以R1标示。其反映了岩体在成岩或之后的过程中受到过挤压应力环境的作用，该剖面特征与对该区的地质构造背景认识相吻合。

图11 塔木素2线地震解释剖面Fig.11 TMS2 line interpretation profile

4 结 语

以大型高速岩体为目标开展反射地震探测工作时，需要根据特殊的地质任务、探测目标以及通常情况下较为不利的施工环境，引进有针对性的数据采集、处理方法。在本次针对内蒙古阿拉善某大型目标花岗岩体的地震探测中，重点解决了野外灵活变观数据采集、复杂地表工区高精度近地表速度建模与层析静校正、强散射干扰波压制等问题，提高了最终地震成像剖面的质量。

本次地震探测实际采用了反射波法地震勘探与初至波旅行时层析反演相结合的工作方法。可以发现，对于高速岩体内部的小型断层、裂隙，其在反射波成像剖面上的展布形态与在浅层速度剖面上的形态特征之间具有良好的对应关系。可以认为，对于岩体顶界面埋深浅甚至直接出露于地表的大型高速岩体进行地震勘探时，采用反射波法界面成像和初至波速度成像相结合的方法，可以获得更加准确、可靠的探测与解释成果。

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Reflection Seismic Data Acquisition and Processing Technology Used in Detecting the High-Velocity Rock Body

LIWen1,2GUOWenwen3HOULihua1FENGShaoying1LIUBaojin1,2

1 Geophysical Exploration Center, CEA, 75 Wenhua Road, Zhengzhou 450002, China 2 Institute of Geology and Geophysics, CAS, 19 Beituchengxi Road, Beijing 100029, China 3 College of Information Engineering,Zhengzhou Institute of Finance and Economics, 36 Tianhe Road, Zhengzhou 450049, China

In order to investigate the spatial distribution, internal structure, and boundary contact relations of target granite rock at Inner Mongolia Alxa pre-selected high-level radioactive waste geological)

high-level radioactive waste geological repository; high-velocity rockc body; reflection seismic exploration; first-arrival wave tomography inversion; vector resolution noise removal

National Natural Science Foundation of China, No. 40874045,41374100.

LIU Baojin, researcher, PhD supervisor, majors in exploration geophysics and seismology,E-mail: LBJ001@126.com.

2016-04-27

项目来源：国家自然科学基金(40874045,41374100)。

李稳,博士生,主要从事地震勘探数据处理方法和地震资料解释研究，E-mail: liwen_work@163.com。

刘保金,研究员,博士生导师,主要从事勘探地球物理和地震学研究，E-mail: LBJ001@126.com。

10.14075/j.jgg.2016.12.001

1671-5942(2016)012-1035-06

P315；P631

A

repository site, seismic detecting work is carried out. Near-surface velocity tomography inversion profiles and seismic reflection profiles are obtainedby acquiring and processing the seismic data.This seismic exploration work aimsat technical problems such as ruggedness surface work area near-surface velocity model-building, tomographic statics correction, and strong seismic scattered wave pressing. To this end, we adoptakind of MSFM(multi-stencils fast marching) based first-arrival travel-time tomography inversion technology, and an improved vector resolution noise removal approach.Meanwhile, based on routine high resolution reflection seismic exploration data processing flow, a set of customized fine data processing flow is set up.

About the first author:LI Wen, PhD candidate, majors in seismic data processing and seismic interpretation,E-mail: liwen_work@163.com.