黄土塬区多道瞬态面波数据采集试验分析

唐文，李江，汪铁望

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065；2.西安石油大学 陕西省油气成藏地质学重点实验室，陕西 西安 710065；3.中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安 710077； 4.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司研究院 长庆分院，陕西 西安 710021)

0 引言

瑞雷面波通过对一个炮点排列进行分析，得到该排列中心点深度范围内的面波频散特性，通过反演得到该点纵向的速度分布，多点联合插值，可获得地下的纵横波速度结构特征。作为一种地震探测方法，面波勘探早期常被用于研究地球内部结构特征。利用其频散特征和速度与岩石物理学性质的相关性可以解决各种工程地质问题[1]，20世纪七八十年代逐渐被引入工程勘探领域。近年发展起来的多道瞬态面波用于查明工程区覆盖层厚度并进行地层划分[2]，工程岩体质量评价[3]，土石混填路基施工质量检测，测量土壤，断层及其他构造带等取得了较好的效果[4]。与其他探测方法相比，多道瞬态面波法具有野外工作简便快捷，施工设备轻便，浅层分辨率高、检测速度快等众多优点，日趋得到广泛的应用[5-7]。

黄土塬区地形起伏较大，地震地质条件复杂，常规勘探设备不易到达，开展钻探、反射地震勘探等存在较多难点[8]。特别是在浅层地质调查中，常规反射地震勘探方法基本无法获得近地表信息，难以取得理想的探测效果。多道瞬态面波可以适应地形起伏较大地区的勘查工作，大大提高了浅层的分辨率，弥补了常规地震勘探方法的不足。地震勘探的实践证明，黄土塬区地震勘探中面波最为发育，能量较强，因此可以尝试在黄土塬区开展面波勘探工作。基于此，我们开展了多道瞬态面波法在黄土塬区地质调查中的试验研究。目前，多道瞬态面波理论方面的研究已经较为成熟，但是在工程实际应用，特别是在黄土塬区的应用中，野外数据采集参数往往不被重视，而合理的采集参数正是该方法获得成功的关键。文中通过开展多道瞬态面波的数据采集试验，对原始数据及其频散特征进行对比，从而分析了不同震源激发及不同参数对数据采集结果的影响，总结出了适合于黄土塬区地质调查和工程应用的多道瞬态面波数据采集参数和方法。

1 多道瞬态面波方法简介

瞬态面波法在探测时主要依据瑞利波在介质中传播时穿透深度与波长的相关性及其在层状介质中传播的频散特性。根据采集方式的不同，瞬态面波可以分为表面波谱分析法(spectra analysis of surface wave，SASW)和多道瞬态瑞利波法(multi-channel transient surface wave，MTSW)[9]，实际应用中表面波谱分析法采用两道接收，施工简单，分辨率相对较高，但由于所采用的瑞利波低频成分较少，因此探测深度较浅；多道瞬态面波方法采用多道接收，相对于两道面波勘探方法具有许多优越性[10]：首先，可以在时间剖面上准确识别面波所在的时空位置，从而为设计合理的面波观测时窗提供依据；其次是可以在多道采集的有效面波记录上根据波形的时序关系分析各种波形的来源；最后是可以通过对多道记录的互相关系，求取平均频散曲线，进一步提高解释的精度，因此，多道瞬态面波法在工程中应用更广泛。

多道瞬态面波数据采集常用端点激发，多个检波器等道间距排列的观测系统(图1)，排列长度一般与探测深度相关，偏移距、接收道数和道间距等根据探测目标深度所要求的分辨率等因素决定。震源一般有大锤、夯、炸药、可控震源等。多道瞬态面波数据处理分为数据预处理，波形处理，频谱分析和成果显示4部分，基本流程见图2。

图1 多道瞬态面波观测系统示意

图2 多道瞬态面波数据处理流程

数据处理中主要任务是去噪处理，保留面波以及提取频散曲线[4]。其中主要处理方法是利用建立在二维傅里叶变换基础上的f-k变化，基本过程如下：首先在原始记录上根据瑞利波视速度及波形特征选定瑞利波计算区域，确定瑞利波x-t域窗口，利用二维离散傅里叶变换得到频谱函数，根据能量最强原理，在谱函数能量图中拾取能量最大线就是瑞利面波的f-k曲线。通过反演获得地下介质的速度分布特征和结构，进而可以用来进行构造、地层等识别和划分，解决相关地质任务。

2 数据采集参数论证

2.1 不同震源激发对比

面波勘探中，震源能量的大小与所激发的瑞利波信号强度、频带宽度及主频密切相关，是影响其探测深度的关键因素。研究表明，瑞利波频率越低，穿透深度越深，同时穿透深度与波长成正比[12-14]。试验中选取锤击多次叠加和夯击两种激发方式进行对比，其中锤击震源质量约8 kg，夯击震源质量约60 kg，激发时抬升高度约1.5 m。结果表明两种激发方式均能获得较好的瑞利面波记录(图3)，对面波记录进行处理(图4)，其中频率与瑞利波相速度所对应的能量谱峰值能量团为所提取的频散曲线，可以看出两种震源激发得到的频散曲线基阶模速度范围基本一致，均在500～600 m/s，相比之下，锤击多次叠加激发的基阶模频带范围在6～16 Hz，夯击震源激发的基阶模频带范围在8～20 Hz，试验表明锤击震源更有低频优势。

图5为锤击震源分别在1～4次激发能量叠加时的原始记录对比。1次激发的记录中，随传播距离和深度的增加，面波能量逐渐减弱，减小了探测范围和探测深度；同时频散能量团相对分散，不利于频散曲线的提取；随着叠加次数的增加，面波能量逐渐加强，频带范围拓宽，提取的频谱中分辨率提高；3次激发叠加即可取得较好的原始记录，所激发的瑞利波主频较低，有效地加大了探测深度，同时获得的面波记录能量增强，频谱分辨率提高；再增加单点激发的叠加次数时，面波记录能量和频率变化不大。另外通过多次叠加激发的记录，不仅增强了激发能量，同时还压制了一些随机干扰，明显提高了单点记录的信噪比。

图3 不同震源激发记录

图4 不同震源激发记录频散能量特征对比

图5 锤击不同叠加次数记录对比(自左向右1～4次叠加)

相比在地面上直接敲击，激发时增加金属垫板，可以较好地控制震源能量的衰减和发散，所获得的记录更有利于提取其频散曲线。

2.2 接收道数和道间距

检波器接收道数与道间距的组合对探测深度、分辨率及频谱的计算和提取具有重要的影响。道间距决定频率波数域中的波数分辨率和最大波数。接收道数和排列长度则决定着空间纵横向的分辨率。一般来说，瑞利波相速度反映了半个波长深度范围内介质的平均力学特性，传播过程中瑞利波的最小波长决定了所能探测的最小深度，最大波长决定着能探测到的最大深度，理论分析与实验表明，瑞利波的最大波长与检波器的排列长度有关，通常最大波长约是排列长度的1～2倍。针对第四系黄土层中层间速度差异小，层内厚度大等特点，采用小道距，多道接收的方式进行对比试验。图6为道距2 m时，不同接收道数的瑞利波频谱对比，采用24道接收时，瑞利波的低阶和高阶信息混在一起，分离不是很明显，同时频带范围较窄，低阶分辨率较低；当采用36道接收时，低阶与高阶信息开始分离，振幅峰值集中，分辨率明显提高；采用48道接收时，分辨率进一步提高。当采用更多接收道数时，剖面效果改善已经不很明显。采样定理要求道间距x和波长λ满足x<λ/2，在满足采样定理的情况下，通常宜采用较大的或增加接收道数。在黄土塬区地质调查中，主要以解决浅层黄土覆盖层厚度内构造及速度分层情况为主，结合工作效率和分辨率，一般情况下道距取2～4 m，36道以上接收即可满足探测精度的需要。

2.3 偏移距

偏移距的设置是野外数据采集的关键参数，在面波数据采集中，一般应当根据所记录的瑞利波最大波长来确定，偏移距与最大波长λmax之间关系如下：

Offset=a×λmax

式中，a为转化系数，Stoke等根据SASW方法确定的经验值一般取a=0.5，Paik等[15]确定的经验值为0.1～0.5。Zhang S X等研究了偏移距与瑞利波相速度和波长之间的关系[16]：

式中，vmin为瑞利波最小相速度，Δv为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，检波器布设在离震源不足x0的距离内是无法接收到瑞利波信号的，因此x0可以被视作最小偏移距，记为offsetmin，根据弹性波相关理论，可以根据目的层深度d对最小偏移距进行经验估算[17]：

Offsetmin≈0.75d。

为抑制近场效应，最小偏移距应大于上式计算的估计值。在以上理论计算公式指导下和黄土塬区的地层结构特征，结合施工经验估算出最大和最小偏移距的范围。试验中采用0～20 m，变化步长4 m的偏移距进行数据采集，试验所获记录显示偏移距对数据采集质量影响相对较小(图7)，对原始记录进行进一步的分析可知：当偏移距较小时，频散曲线显示了相对较宽的频带范围，但分辨率较低；当偏移距增大至8～10 m时，基阶模与高阶模信息的频带范围逐渐变窄，分辨率提高；当偏移距继续增大时，基阶模频带范围虽然继续变窄，但是由峰值所组成的频散曲线变得模糊和不规则，分辨率稍有降低，不利于频散曲线的提取。

a—4 m;b—8 m;c—12 m

根据试验结果和分析，当偏移距较小时，高阶和低阶模式的瑞利波信息混合在一起，频带范围较宽，分辨率较低；当偏移距较大时，频带范围变窄，高低阶信息可逐渐分开，分辨率提高，但表现不稳定。合理的偏移距取值应根据探测目标层深度及该地区的瑞利波相速度来选择，然后通过对比试验来确定最佳偏移距。

3 应用实例

3.1 工区概况

工区大部分被第四系黄土层覆盖(图8)。据以往勘探钻孔揭露，本区黄土层一般厚度30～50 m，最大厚度大于150 m。干燥松散的黄土层速度400～700 m/s，密度小，孔隙度大，对地震波能量吸收衰减极为强烈，造成地震波高频成分的严重损失，不利于反射地震勘探，但保留了大部分的低频成分。本区黄土垂向分层明显，覆盖层与下伏基岩速度密度差异较大，物性差异明显，有利于验证面波地震勘探的应用效果。

图8 工区浅层岩性和露头

3.2 数据采集

通过采集参数的试验分析，实例应用中采用锤击作为震源，3次叠加，仪器使用Geometrics数据采集系统，采用4.5 Hz低频面波检波器，接收道距2 m，偏移距6 m，48道接收，激发点距48 m。

3.3 处理成果

对单点频散曲线进行反演[18-20]，整合后获得的横波速度剖面见图9。由图可见横波速度在200～700 m/s的范围之间，探测深度可达40 m左右。在剖面浅部横波速度较小，与下部地层存在一个明显的速度过度带，参考《建筑设计抗震规范GB50011-2010》中黄土类型划分和剪切波速度范围，由图可见，0～10 m范围速度小于200 m/s，为松散的粘性土和粉土，10～20 m之间速度在200～380 m/s之间，可解释为可塑性黄土，20 m深度以下速度大于500 m/s，因此判断为致密的坚硬黄土。横波剖面的解释成果与区域地质资料中对该区黄土层厚度描述基本一致，表明本次面波勘探效果有效可靠。

图9 面波处理剖面

4 结论

在多道瞬态面波数据采集中，震源、道间距，接收道数和偏移距等参数的选取是影响原始记录的关键因素。①通过黄土塬区多道面波数据的采集试验，对不同参数所记录到的数据进行对比分析，总结了地质调查中关键采集参数的选取方法和较为合适的取值范围。②工区的实际应用表明多道面波可以对近地表速度结构和地层进行更为精细的评价，在黄土塬区地质调查具有应用优势。