丁美青， 胡泽安， 李建宁， 周会鹏， 胡雄武

(安徽理工大学 地球与环境学院， 淮南 232001)

城市地下断裂构造可控震源地震勘探试验研究

丁美青， 胡泽安， 李建宁， 周会鹏， 胡雄武

(安徽理工大学 地球与环境学院， 淮南 232001)

在城市地下空间开发过程中，断裂构造是引起地质灾害的重要因素之一，有效探查断层的位置、规模及深度，具有重要的意义。地震反射波法已逐渐应用到城市地下空间异常地质构造地探查，但城市地表表层地震地质条件复杂，环境噪音大，硬质路面检波器耦合较差，传统锤击震源能量弱、衰减快、信噪比低，勘探精度很难达到规范要求。这里以某城市勘探区探查地下断裂构造为例，利用可控震源激发，从能量、信噪比、频率等方面对试验资料进行分析，确定适合该区可控震源施工参数，提高了地震时间剖面的分辨率和探查精度，取得了良好的探查应用效果。

断裂构造； 城市震探； 可控震源； 施工参数； 应用效果

0 引言

随着我国经济建设和改革开放地迅速发展，城市化进程不断推进，城市地下空间地应用逐渐被提上议程。许多基础设施以及各种建筑物逐渐从地上转向地下，这就对城市地下空间的地质构造地探查提出了更高的要求。其中城市活断层的探查尤为重要，有效探查城市活动断层的空间位置、深度等，可以降低城市地下空间开发过程中的危险性[1-2]。物探方法中浅层反射地震波法是城市地下空间断层构造探测常用的技术方法之一，但由于城市施工条件的特殊性，地震勘探测线多布置在水泥及沥青路面，检波器与大地耦合效果较差，并且传统的锤击震源和炸药震源勘探存在很大的局限性。如何解决城市环境下浅层地震勘探的激发技术，降低城市噪音对地震资料地影响，减小对城市环境地破坏，始终是地震勘探亟待解决的问题之一。

可控震源地震勘探自上世纪90年代初进入高效采集阶段并发展至今，具有激发信号精准可控、数据采集效率高、信噪比高等优势，可在噪音背景较大的城市环境下使用，尤其是在检波器与大地耦合效果较差的水泥及沥青路面使用时，因其现场施工高效，地震信号良好等突出优点，日益受到地球物理界的广泛关注[3]。近年来，张玉军等[4]应用可控震源在激发条件复杂地区取得了良好的效果；潘纪顺等[5]对于城市活断层的探查应用不同震源进行实验研究，指出了可控震源的优越性。笔者以某城市勘探区探查地下断裂构造为例，对城市环境下噪音影响较大，水泥路面耦合差的地区应用可控震源地震勘探的具体施工和方法进行介绍。

1 可控震源地震勘探原理

可控震源是通过振动平板向地下空间发射一个时间较长，频率不断变化的正弦信号(扫描信号)。目前，地震勘探最为广泛的是线性扫描信号，这种信号振幅稳定，频率随时间变化呈线性关系[6]。图1是线性扫描的典型例子。

图1 线性扫描Fig.1 Linear sweep

线性扫描信号的数学表达式为：

0≤t≤T

式中：f1和f2分别是扫描信号的起始频率和终了频率；A为扫描信号的振幅；T为扫描信号的长度；t为时间变量；若表达式中取“+”号，则表示扫描频率与时间呈正相关，这种扫描称之为升频扫描。若取“-”号，则表示扫描频率与时间呈负相关，这种扫描称之为降频扫描。

与传统的重锤、气枪和爆炸震源相比，可控震源是稳态的，可持续地向地下传播振动。为了确保发射能量的强度，发射到地下空间的扫描信号要足够长。因此，地下空间各层反射回来的原始信号，在时间上是相互重叠干涉的，由此形成可控震源原始信号记录。这种震源记录相互干涉，波形复杂，不仅无法确定反射层数，到达各反射层的时间也很难获知。为了将可控震源记录转换成可供解释的震源信号，地震主机引入“相关”的数学方法，对扫描信号进行相关性运算，生成原始炮集记录。

相关是衡量两种波形在何时最为相似的数学方法，主要是起到脉冲压缩和滤波的作用[6]。由于线性扫描信号可由正弦函数关系式表达，所以可将线性扫描信号X(t)进行相关运算，得到线性扫描的自相关函数X′(t)。经过相关运算的线性扫描信号X′(t)就构成了可控震源记录的基本波形，通常被称为相关子波。

2 可控震源与锤击震源的区别

可控震源与传统锤击震源相比具有以下特点：

1)可控震源与锤击震源地震勘探的地球物理基础是相同的，激发信号在大地内部传播均受到相同地吸收和衰减作用。但两种震源方式产生的震源信号，无论是信号地激发方式，还是信号的频率，频宽及振动波形特征，都具有明显的差异。

2)可控震源是通过与地面耦合良好地振动平板向地下空间传播扫描信号，这种地震信号成分已知，频率、频带宽度等都是可以人为控制的。在野外采集过程中，可以根据测区的地震地质条件，选择最佳采集参数，提高地震资料的信噪比[7-8]。

3)可控震源采用连续扫描信号，波的能量及穿透能力明显增强。与锤击震源相比，可控震源连续振动，并引入“相关性运算”对扫描信号进行处理，可以避免城市环境噪音的影响，消除随机干扰。锤击震源不同于可控震源，一般通过锤击向地下空间传播脉冲振动信号，振动延续时间很短，是一种瞬态的震源信号。

为对比分析可控震源在城市震探中的优势，在工区所在位置分别应用锤击震源和可控震源进行地震勘探试验，单炮记录如图2所示，图2(a)为锤击震源单炮记录，由于受到锤击震源能量地限制，且水泥路面频率较高，衰减较快，造成测线远端的信号能量过小[9]，尤其在城市环境下，车辆地行驶和工业设施的影响，加之检波器与硬质地面的耦合效果较差，信噪比过低，很难达到城市地震勘探的探查精度。图2(b)为可控震源单炮记录，能量大，一致性好。采集的信号受环境噪音影响较小，信噪比高，目的层及反射波同相轴清晰。

图2 不同震源单炮记录对比Fig.2 The comparison of single shot record of different source(a)锤击震源；(b)可控震源

3 试验工作

本次城市断裂构造探查地震工作所在区域位于一系列NE走向的断裂带之上，断裂构造较为发育，褶皱少见且规模小。测区周边地势上总体由西北的山地逐渐向东南部的丘陵，滨海平原过渡，水系发达，全年降水丰富，存在常年地表径流，地下水量较大，水位较浅，水文钻孔揭露初见地下水位埋深为0.6 m，近似稳定地下水位埋深为6.8 m。研究区内地层发育残缺，主要有泥盆系，侏罗系及第四系岩层，除西侧、西南、西北部分地区出露侏罗系上统外，其余全被第四系全新统海相沉积层和第四系更新统冲洪积层覆盖。地表上覆第四系岩土层厚度约为30 m～60 m，上部为含砂砾，粉砂土及亚粘土等第四系冲洪积土，波速较低，地震地质条件一般。深部基岩为火成岩坚硬岩组及部分变质岩坚硬岩组，波速较高，地震地质条件较好。第四系岩土层与基岩的波阻抗差异较大，具备反射波勘探的物理条件。

现场探查时测线经过多条硬质路面，测线末端局部为积水路面，检波器与地面耦合较差。传统重锤振动能量弱，城市环境下噪声较大，无法达到探测精度。为了将可控震源更好地应用到城市地区的地震勘探，在测区范围内进行了从点到线的一系列试验。

3.1 试验内容

该区现场探测依据以往工程实例，保持震动台数2台，震动次数3次。通过对震源出力、扫描频率、扫描长度、信号长度等关键参数进行一系列对比试验(表1)，确定适合该区可控震源施工参数，从而获得最佳采集效果。选取具有代表性的单炮记录进行对比分析，比较各个施工参数的效果。

3.2 采集参数对比分析

3.2.1 震源出力试验

保持扫描长度为10 s，扫描频率线性升频为10 Hz ～100 Hz，采样间隔为0.5 ms，信号长度为1 000 ms，试验震源出力分别为20%(相当 6 KN)、30%(相当 8.8 KN)、40%(相当 11.8 KN)时的效果(图3)。由图3分析可知，震源出力为20%与30%、40%的信噪比能量，前者略低于后者说明震源出力宜不低于30%。

3.2.2 扫描频率试验

保持震源出力为40%，扫描长度为10 s，线性升频改变，采样间隔为0.5 ms，信号长度为1 000 ms，分别进行扫描频率10 Hz ～80 Hz、10 Hz ～100 Hz、10 Hz ～120 Hz试验(图4)。从采集的信号来看，随着频率的增大，针对浅层的反射波越发明显。图5是不同扫描频率试验频谱分析图，由图5可以看出，分析频宽和信噪比，三种扫描方式没有明显差别10 Hz～100 Hz扫描频率下能量相对较强，分布均匀。综合考虑勘探任务与浅层分辨率，选择 10 Hz～100 Hz为本次试验研究的扫频范围。

3.2.3 扫描长度试验

保持震源出力为40%，扫描频率线性升频10 Hz ～100 Hz，采样间隔为0.5 ms，信号长度为1 000 ms。分别试验扫描长度为 8 s、10 s、15 s的激发效果。图6是不同扫描长度试验单炮记录。从采集的信号来看，扫描长度10 s的信噪比和能量均好于扫描长度8 s和15 s，结果表明，扫描长度宜选择10 s。

表1 试验参数统计表Tab.1 Test parameters

图3 不同震源出力试验单炮记录Fig.3 Record of single shot of different source output test(a)20%；(b)30%;(c)40%

图4 不同扫描频率试验单炮记录Fig.4 Record of single shot of different scan frequency test(a)10 Hz～80 Hz；(b)10 Hz～100 Hz; (c)10 Hz～120 Hz

图5 不同扫描频率试验频谱分析Fig.5 Record of spectrum analysis of different scan frequency test(a)10 Hz～80 Hz；(b)10 Hz～100 Hz; (c)10 Hz～120 Hz

图6 不同扫描长度试验单炮记录Fig.6 Record of single shot of different scan length test (a)8 s;(b)10 s;(c)15 s

3.2.4 信号长度试验

保持震源出力为40 %，扫描频率线性升频10 Hz～100 Hz，采样间隔0.5 ms，分别试验信号长度为1 000 ms、1 500 ms、2 000 ms的激发效果。图7是不同信号长度试验单炮记录。对单炮记录进行分析，采样时长越短，信号的信噪比越高。本次试验研究主要为浅层勘探，目标反射层较浅，采样长度不要求很长，说明采样时间宜选择1 000 ms。

以上试验结果表明：在该区地震地质条件下，施工参数采用震源出力为40%、扫描长度为10 s、扫描频率线性升频为10 Hz～100 Hz、采样间隔为0.5 ms以及信号长度为1 000 ms，可得到满意的激发效果。

图7 不同信号长度试验单炮记录Fig.7 Record of single shot of different signal length test(a)1 000 ms ；(b)1 500 ms；(c)2 000 ms

4 城市地区应用实例

4.1 数据采集

综合考虑勘查区地质概况及地震地质条件，并总结分析上述试验点的基础上，采用 48道接收，道间距为2 m，单边激发，炮间距为8 m 的观测系统。数据采集仪器使用美国SI仪器公司生产的S-Land全数字化地震数据采集系统地震仪，震源采用WTC5060TZY/3吨型纵横波两用可控震源车，横波激发，线性扫描，震源出力为40%，扫描长度为10 s，扫频范围为10 Hz～100 Hz，采样间隔为0.5 ms，前置增益为36 dB，记录长度为1s，数据记录为SEGY格式。此外，检波器采用日本OYO公司生产的28 Hz横纵波两用数字检波器，与硬质路面使用黄油耦合，尽量保证检波器所接收的数据质量。

4.2 数据处理及解释

可控震源地震勘探的数据处理与传统锤击震源存在明显的差异，由于其引入“相关”的数学方法，抗随机干扰的能力较强，但面波及声波干扰不容忽视。本次城市背景下可控震源地震勘探共完成4条测线的探查工作，每条测线1 000 m，所采集到的地震记录能量强，但表层信息反映较差。在数据处理时，运用地形静校正，振幅补偿、叠前多道预测反褶积、动校正及速度分析等方法进行消噪处理[10-11](图8)，提高地震信号的信噪比，得到地震时间剖面，现选择其中一条测线进行地质解释，图9为数据处理后获得的测线反射地震剖面。

图8 可控震源地震勘探数据处理流程图Fig.8 The flowchart of data processing that seismic prospecting with vibrator

图9 可控震源地震解释剖面及测区电阻率剖面对比图(300 m～800 m)Fig.9 The comparison of seismic interpretation section of vibrator and resistivity profile of exploration area(300 m～800 m)(a)可控震源地震解释剖面图;(b)测区电阻率剖面图

通过对比地震反射波组，第四系岩土层与基岩反射同相轴较强，连续性好，在400 ms左右测线全区存在比较连续的反射同相轴，解释为岩性分界面。0 ms～400 ms范围内反射同相轴零乱，几乎没有可供解释的反射波，主要为第四系松散层，表层信息反映较差。测线中部160 m，540 m，830 m处，同相轴错断，圈定3处断层依次命名为F1、F2、F3，断层影响带宽度大于20 m，倾角大于70°。取综合横波速度300 m/s～400 m/s换算基岩面埋深度为55 m～60 m。测区范围内300 m～800 m处补测电法勘探，反演所得电阻率剖面图如图10所示，经过对比分析，基岩面及断层位置与地震勘探所得结果较为一致，取得了良好的效果。

5 结论

1)城市地区浅层地震勘探地质条件复杂，传统锤击震源能量弱、衰减快、检波器耦合较差，受环境噪音影响较大，地震信号信噪比低。利用可控震源激发，对比分析各种试验参数下单炮记录及振幅频谱，从能量、信噪比、频率等方面对试验资料进行解释，确定震源出力、扫描频率、扫描时长、信号长度等最佳施工参数，提高了地震时间剖面的分辨率和探查精度，取得了良好的探查应用效果。

2)通过分析一系列由点到线的试验及工程实例，充分证明可控震源在城市地区激发效果良好，取得了高质量的地震资料，弥补了炸药和锤击震源的不足，可以快速、有效的探查地下断裂构造的埋深及规模，第四系覆盖层厚度变化，地层结构等地质要素。为今后在地震地质条件复杂的城市地区进行地震勘探工作提供了借鉴。

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Experimental study on vibroseis seismic exploration in urban underground fault structure

DING Meiqing， HU Zean， LI Jianning， ZHOU Huipeng， HU Xiongwu

(School of Earth and Environment, Anhui University of science and Technology, Huainan 232001, China)

In the process of urban underground space development, the fault structure is one of the important factors that cause the geological disasters. It is of great significance to effectively detect the location, size and depth of the fault. Seismic reflection wave method has been gradually applied to the exploration of abnormal geological structure of urban underground space. But the urban surface seismic geological conditions are complex, high noise and poor detector coupling in hard pavement. Traditional hammer energy sources are weak, fast decay, low signal to noise ratio, and it is difficult to meet the requirements of the specification. Taking the exploration of underground structure in a city as an example, the vibrator was used to carry out excitation, analysis was conducted for test data from energy, SNR and frequency to determine the operation parameters. It can enhance the resolution and exploration precision of seismic time section, obtaining more satisfied exploration results.

fault structure; urban seismic exploration; vibrator; operation parameters; exploration results

2016-08-11 改回日期：2016-09-26

安徽省大学生创业训练计划资助项目(201510361116)

丁美青(1993-)，男，硕士，研究方向为工程与环境地球物理勘探，E-mail：DMQ110750113@163.com。

1001-1749(2017)04-0565-08

P 631.4

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2017.04.18