陆地声纳浅层地震勘探技术

2005/10/14 15:56:45

　　摘　要　为适应地下小构造的高分辨率探测及狭窄工作环境的需要，近年来一种新的工程地震勘探方法——陆地声纳法逐渐成熟起来。其零偏移距、单道连续采集工作方式特别适合于狭窄、复杂环境下的浅层高分辨率地震勘探。在煤矿井下、铁路隧道开挖面的超前探测及地面浅表层地震地质调查工作中都取得良好的地质效果。
　　关键词　陆地声纳　零偏移距　浅层地震勘探

　　浅表层调查、铁路隧道工作面的超前地质预报、矿区小构造的探测，对勘测提出了越来越高的要求。常规浅层地震勘探手段一般难以满足其精度要求。需要进一步开展高精度探测方法的研究工作。要提高地震勘探精度，关键是提高其分辨率。影响纵向分辨率的因素主要有三个：检波器接收的地震子波宽度，地震的主频和信噪比。子波宽度越窄，地震波的主频越高，则所能够达到的分辨率就越高。另外，地震波的入射角对反射能量的影响亦很大，它不仅影响记录的信噪比，而且当入射角较大时还会出现其他干扰波，如转换波等。或广义的说，入射角增大，信噪比将明显下降。针对以上几个问题，一种精度高、工作方法又极为简单的新的勘测方法——陆地声纳法逐渐发展成熟起来。其主要特点是：探测精度高；现场施工简单，适合于浅层工程勘探和地下特殊工作环境；数据处理工作量小，便于实现现场处理。

1　原理
1.1　震源附近的波场特点
　　一般弹性波理论认为，在震源附近，由于震源的强冲击而使介质出现破碎，或塑性变形，而在弹性介质中建立起来的斯托克斯（Stokes）波动方程将不适用于近震源区域。而且，震源上的初始条件和边界条件都无法明确给出。理论上一直没搞清楚震源附近的波场特点。强烈的剪切应力必然引起地层质点的彼此滑动，会存在固体内摩擦，因此应按照冲击波理论那样来处理问题。但在扰动震源点上，必然存在有限振幅的波。
　　斯托克斯(Stokes)波动方程

　　在无穷远点的边界条件很容易给出,即子波在无限远处必呈对称波形,可写出斯托克斯波动方程级数形式的解:

　　其Ψ⁰_n为子波函数

Ψ₀⁰（u)=∫^∞₀uexp(-g²）cosgdg

　　其中， g17-3.gif (478 bytes)
式中　R、T——数值距离和数值时间；
　　　n——自然数，n=0,1,2,…；
　　　a——数值距离参数。
　　然后据此计算不同数值距离的波形,计算结果见图1。图中R=1为震源附近的子波，在实际记录上，使用轻便小型震源时是能够接收到与此非常接近的近炮点子波波形的。由图可见，子波的宽度是随数值距离的增大而增加的。在文献［2］中给出了一个实测的统计数据，见图2。为了尽可能接收到窄的子波，应使子波的旅行距离最小，这是要采用零偏移距接收的理由之一。

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图1　6种不同数值距离时的速度型子波波形

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图2　子波宽度对数对旅行时间的关系

1.2　震源附近干扰波少
　　根据弹性波的Snell定律，震源附近为折射波盲区，不存在极浅表层折射波对浅层反射波的干扰，有利于浅层反射波的获取。其它规则干扰波大多为远区场的解，在震源附近无法满足其边界条件，如面波等都不存在。可见，震源附近是规则干扰波最少的区域之一。
1.3　入射角与反射波振幅特征的关系
　　由广义反射理论可知，当入射波的入射角加大时，会出现波型转换现象；当P波入射时，反射波除了P波之外还会有SV波出现。其关系见图3。其中A₁为入射P 波振幅，A₂为反射P波振幅,B₂为反射SV波的振幅。由图可见，当P波垂直介面入射时，反射SV波振幅为零，也就是说SV波不存在。所以进行零偏移距接收可避免能量的波形转换损失，有利于提高信噪比，并可相应地减小震源能量，使介质的破碎和塑性变形尽量减小，所接收到的子波就会更接近理论波形。

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图3　反射波的振幅特征

　　综上所述，在震源附近一个极窄小的区域内存在着一个最佳反射波观测接收窗口，其高频特性非常好，干扰波少，反射能量强。但由于其区域狭窄，在常规地震勘探中根本就无法利用，因此从理论上和实践上都没有给予足够的重视。在浅表层勘探和地下岩巷或工作面前方的高分辨率探测工作中，探测深度减小了，使用了廉价高效的小型震源，这时的工作效率已不是主要问题，而分辨能力则成为主要矛盾。这样，激发点附近的最佳观测接收窗口就成为设计探测方法的最佳接收区段。据此而设计了陆地声纳浅层地震勘探技术。

2　方法特点
　　在以上原理基础上，设计了一套工作方法。并根据所接收到的信号特点对浅层地震仪进行全面改进而设计完成了SZ-1陆地声纳地震仪，及其数据处理软件SZSECTN5.2陆地声纳数据处理软件包。该方法主要有以下4个特点:
　　(1) 仪器轻便，单人或两到三人使用陆地声纳方法的小偏移距采集方式即可高效地完成勘测，工作方法简单有效，可适应狭小工作环境，如岩巷掘进工作面的超前探测等。
　　(2) 可动态形成陆地声纳剖面，边采集边解释的工作方式便于提高工作效率。将数据记录在磁盘上。系统提供丰富的后处理手段，以改善信噪比。
　　(3) 高频宽带超短余振子波记录的特点使其分辨率高于其它地震勘探仪器。
　　(4) 记录精确度高，灵敏度高，动态范围大，抗干扰能力强，失真度小。
　　它可以应用到各种地震浅层勘探领域，包括工程地震勘探、隧道、矿山坑道、城市建设中的工程地震勘探、地下水文状况、含水层追踪、煤田及矿产资源勘测、地基调查、横波速度响应、桩基测试、考古及地下管道探测，以及大型工程测试等。

3　工作方法
　　根据上面的理论分析，在原理上应进行单道自激自收式的数据采集，然后直接拼接成T₀时间剖面。在此时间剖面基础上进行处理和地质解释。但在实际工作中，由于震源的影响很难作到自激自收采集，因此只能近似地做极小偏移距单道采集，一般要求最浅目的层的反射角＜30°。用专用的拼接软件形成T₀时间剖面后，即可利用现有地震数据处理系统的叠后处理部分进行数据处理。以提高剖面的信噪比。为了便于解释，当剖面构造复杂时，可进行偏移归位处理等。由于地震波主频得到了较大的提高，以及剖面上可见到的子波短余震特点，使采用此方法所获得的剖面的精细程度大大超过了常规地震勘探剖面，特别是在极浅层时更为明显。

4　实例效果分析
　　图4为煤矿井下这一特殊环境下的工作结果。在煤巷向下探测下伏煤层及本层煤残余厚度，从陆地声纳剖面上可见煤层残厚约0.4 m，下伏煤层深6.3 m，厚1.3 m。反射波主频1000 Hz左右。剖面信噪比高分辨能力较好。在剖面上明显可见多处岩层节理裂隙；已标出小断层的断距约0.5 m。据此资料，为煤矿提供了下方煤层的厚度变化情况，为下伏煤层的采区设计提供了依据。

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图4　某煤矿煤巷向下探测结果

　　图5是某掘进工作面前方的探测结果，反射波主频约为800～1000 Hz，图中明显可见两处有限物体的反射，根据当地的地质条件，将其解释为溶洞或岩溶发育带引起的弧形反射，其位置在工作面前方12 m和21 m处。开挖后验证了这一解释结果。

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图5　某岩巷掘进工作面前方探测结果

　　图6为某地区极浅层调查之陆地声纳剖面，图中可见地表以下30 m内存在四组反射波，由其沉积形态可将其分为三个层位，第一层为耕作层及其下部的稳定水平沉积层，其反射波同相轴基本保持水平，且连续性较好；第二层为极不稳定的河岔沼泽相沉积层，可见到很多河岔超覆沉积现象，反射波同相轴倾角较大，连续性不好；第三层为52 m以下，反射波能量较弱，层位相对较为稳定。

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图6　浅层地基结构调查之陆地声纳剖面

5　结语
　　通过以上3个实例可看出，这一方法的应用效果好，具有分辨率高，抗干扰能力强，施工操作简单等特点，特别适用于井下等狭窄工作环境下进行施工。其数据处理工作亦相对简单，可实现数据的现场处理和解释。这种方法由于施工简单，且抗干扰能力强，在浅层勘查和井下小型构造的探测中具有极大的推广价值。

作者简介：孙宏志，1959年生，副教授。1998年毕业于中国矿业大学获工学博士学位，现在中国矿业大学北京校区机电系计算中心从事应用地球物理勘探和计算机应用的教学和科研工作，发表论文10余篇。地址：北京学院路丁11号，邮编：100083。
作者单位：中国矿业大学北京校区

参考文献
　1　(美)N.H.瑞克. 粘弹性介质中的地震波.北京：地质出版社，1979
　2　胡德绥.弹性波动力学.北京：地质出版社，1982
　3　陆基孟.地震勘探原理.北京：石油工业出版社，1987
　4　钟世航.陆地声纳法的原理及其在铁路地质勘测和隧道施工中的应用. 中国铁道科学.1995(12)
　5　钟世航.陆地声纳法的正演试验.见：中国地球物理学会第12届年会论文集. 北京：石油工业出版社,1995

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