藍 星 ，李洋森 ，張 瑋，周 武

（1.成都理工大學 地球物理學院，四川 成都 610059；2.中國海洋大學 海洋地球科學學院，山東 青島 266100）

0 前言

地震勘探是使用人工方法激發(fā)地震波（彈性波），沿側線布置地震儀器，根據(jù)組成地層的各種巖石或介質(zhì)具有不同的彈性，當?shù)卣鸩ㄔ诘貙又袀鞑r，其傳播路徑、旅行時間、波形、振幅等都將隨介質(zhì)的彈性以及地層界面幾何形態(tài)的不同而發(fā)生變化，進而查明地下地質(zhì)情況的一種傳統(tǒng)地球物理手段。地震勘探應用領域廣泛，具有精度高，分層詳細，探測深度大等優(yōu)點，在尋找石油、天然氣、煤等重要資源普查中，發(fā)揮著重要的作用［1、2］。而在工程勘查中，地震勘探主要查明第四系覆蓋層厚度及分層，基巖埋深及基巖面形態(tài)，以及存在不良地質(zhì)構造的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀、走向等情況。傳統(tǒng)的地震勘探方法主要是指縱波，而對橫波的技術應用較少，這主要是因為橫波的激發(fā)、接收和識別在相關技術上都要困難、復雜得多。近年來，各個省市的公路、鐵路、勘察設計院等相關部門在研究地震勘探方法的同時，也相應做了一些關于橫波反射的實驗研究工作。但由于以上原因，橫波反射勘探技術在工程領域的實際應用較少，我國在橫波地震勘探的研究還基本處于起步階段［3～5］。

橫波波速低，波長短（某些地區(qū)橫波波長僅為縱波波長的五分之一），在松散地層中的傳播速度遠遠低于縱波，并且由于橫波特殊的傳播特性，可以不受地下水影響，對潛水面的松散層勘探很有利?；谝陨蟽?yōu)點，橫波地震勘探成為一種抗干擾能力強、分辨率高的勘探方法，尤其在100m 以內(nèi)的淺層勘探，需要查明多處較小地質(zhì)體的情況下，具有傳統(tǒng)縱波地震勘探所無法比擬的分辨率和解釋精度［5～8］。

1 橫波勘探基本原理

在縮脹力作用下產(chǎn)生的縱波，可以在固、液、氣三種狀態(tài)下傳播。而橫波是由剪切力產(chǎn)生的，在氣體和液體中，介質(zhì)的剪切模量為零，不能傳播橫波［9］，因此橫波只能在固體介質(zhì)下傳播。而縱波的質(zhì)點振動方向與波的傳播方向一致，橫波的質(zhì)點振動方向垂直于波的傳播方向，因而兩者的偏振特性也成為縱波、橫波的主要區(qū)別。

由相關的波動理論可得，彈性介質(zhì)中縱波和橫波的傳播速度可表示為式（1）。

其中Vp、Vs分別為縱波和橫波的傳播速度；μ為介質(zhì)的剪切模量；E為介質(zhì)彈性模量；v為介質(zhì)的泊松比；ρ為介質(zhì)的密度。根據(jù)式（1）可知縱波、橫波比為：

由于介質(zhì)的泊松比的取值范圍一般在0～0.5之間，因而有：

2 應用實例

2.1 工區(qū)概況簡介

綿竹市漢旺鎮(zhèn)是“5·12”汶川大地震的受災極其嚴重的地區(qū)之一，為了抗震減災以及今后災后重建工作的開展，需要對當?shù)氐牡刭|(zhì)情況做一個比較系統(tǒng)的了解。而橫波勘探作為勘探手段之一，也將對相應的地球物理特性做出評價。由于地震后該地區(qū)淺部地質(zhì)信息相當復雜，因此橫波勘探的高分辨率和高精度的優(yōu)點能更很好地體現(xiàn)出來，為后期的科研工作做好鋪墊。

2.2 野外工作方法評述

在震源上，應該要選擇一塊大小和質(zhì)量符合要求的枕木，并且在枕木的底部釘上帶有鋸齒狀的鐵釘，以此保證枕木可以和地面有良好的接觸，可以產(chǎn)生足夠的剪切力，然后用24磅鐵錘側敲枕木作為觸發(fā)。為了提高反射波的能量，一般采用多次敲擊的方法，但過多的敲擊次數(shù)也會降低反射波的頻率，因此在保證反射波能量的前提下應盡量減少敲擊次數(shù)。

本次勘探采用重慶奔騰數(shù)控技術研究生產(chǎn)的WZG—48A 工程地震儀器，檢波器采用專門的橫波檢波器，全通帶濾波。

施工測線一條，總長度為48m，采用六次覆蓋觀測系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)如圖1所示。具體為中間放炮，炮間距1m，道間距1m，12道接收的六次覆蓋系統(tǒng)。

2.3 資料處理

在進行野外數(shù)據(jù)采集后，需要對地震數(shù)據(jù)進行室內(nèi)處理。目前國內(nèi)尚無專門針對橫波地震勘探資料研發(fā)的處理軟件，橫波資料處理常常采用縱波處理軟件和流程，而橫波地震資料又具有速度和頻率都相對較低的特點。因此應在常規(guī)處理流程外，應對各方面的參數(shù)和流程進行精細測試、對比，以期達到更好的效果。圖2（見下頁）是常規(guī)縱波處理流程。

圖1 六次覆蓋觀測系統(tǒng)Fig.1 Six cover observing system

圖2 常規(guī)縱波處理流程Fig.2 Conventional longitudinal wave processes

在此基礎上做好常規(guī)處理以外，還應該做好以下兩點：

（1）精細靜校正。由于受地表起伏，地表低速帶等影響，野外的原始記錄中的反射波有一定錯動。為了消除這種錯動，避免影響后續(xù)的疊加處理，降低資料質(zhì)量，必須進行精細的靜校正，以提高資料的信噪比。

（2）多次反褶積。反褶積是提高地震縱向分辨率的有效方法，其中包括最小平方反褶積、脈沖反褶積、地表一致性反褶積等方法。具體選擇哪種方法則應該因地制宜，具體考慮。同時為了避免反褶積處理帶來的信噪比降低的問題，應配合使用帶通濾波，τ－p變換等。

2.4 資料解釋

見下頁，圖3、圖4分別是淺層地震橫波、縱波單炮記錄，中間激發(fā)，12道接收。

下頁圖5及圖6（見后面）分別是反射地震橫波、縱波F－K頻譜分析。由圖5及圖6可看出，反射橫波主頻范圍在40Hz左右，而反射縱波主頻范圍在60Hz左右。反射縱波主頻大于反射橫波主頻。

野外采集的橫波地震資料，經(jīng)過上述的數(shù)字處理后，得到了經(jīng)過水平疊加的時間剖面。圖7（見后面）是處理后的淺層地震橫波時間剖面。

剖面內(nèi)地震反射波可見剖面層次清晰，分辨率較高：

（1）在20ms處附近有一單相位的波組基本水平且連續(xù)性較好，東段能量較西段稍強，定名為T1。

（2）在50ms處附近有一單相位波組，東段能量較西段稍強，西段分叉為兩個弱相位，東段的連續(xù)性較好，定名為T2。

（3）在100ms處附近有一單相位波組，中間部份明顯與東、西兩端有錯動，東段能量較西段稍強，定名為T3。

從圖7中還可見，三段波組西高東低，呈現(xiàn)整體下降趨勢。

圖8（見后面）為對應工區(qū)縱波地震時間剖面，可發(fā)現(xiàn)二者在產(chǎn)狀和深度上均有較好的一致性，但縱波波長較長，分辨率較低，相比而言，橫波分辨率明顯高于縱波，對于小型地質(zhì)體和斷裂破碎帶的分辨識別能力較強。而再往下，由于橫波能量穿透能力差，在其剖面上只有時斷時續(xù)的波組，但是在縱波剖面上還有較為連續(xù)的兩個波組，推測為強風化層和中風化層以及微風化層的分界面。結合地質(zhì)資料，并根據(jù)相應的振幅特征、頻率變化，速度關系可分層為：

（1）T1主要為粘土層，其橫波速度在90m／s左右，縱波速度為450m／s。

（2）T2主要為夾雜著小塊卵石的粉砂巖，其橫波速度在250m／s左右，縱波速度為1 150m／s。

（3）T3主要為強風化砂巖和泥巖，中間部份有明顯的斷層，其橫波速度在450m／s 左右，縱波速度為1 700m／s。

T1、T2、T3波所分別對應的深度約在3 m～4.5m、8.3m～9.6m、15.4m～18.5m。整體為西高東低的下降趨勢，在20m 左右處地質(zhì)構造運動較為強烈。

3 結論和認識

作者通過對橫波地震勘探的理論探索及實際運用的研究，表明該方法是具有較高分辨率和精確度的淺層地震勘探技術方法。特別是對埋藏不深的第四系覆蓋層及其下伏基巖的探測有著重要的意義，能較好地完成工程勘探任務。不過由于地震地質(zhì)條件等諸多因素的限制，橫波地震勘探也不可能解決一切地質(zhì)問題。在進一步的研究和學習實踐中，應注意以下幾個問題。

（1）橫波激發(fā)場地問題。橫波是靠地面施加剪切力而產(chǎn)生的，松軟的介質(zhì)會產(chǎn)生塑性形變，錘擊的能量被大量吸收。因此應選擇在較為堅實的路面，錘擊能量才能激發(fā)出較強的地震波，避免在軟弱土層上施工作業(yè)。

（2）速度的求取問題。在實際生產(chǎn)中，由于種種原因，鉆井資料無法覆蓋所有目的層，不能得到全部實際地層的有效橫波速度，滿足不了需求。在這種情況下，合理利用反射縱波、折射波等其它勘探方法，聯(lián)合多種地球物理手段，彌補橫波勘探，取長補短，以期能達到效果、利益的最大化。而在速度的反演過程中，尤其當遇到實際情況比較復雜的地質(zhì)條件時，應采用比較先進正演和反演計算方法，提高計算精度，以便獲得更為可靠的結果。

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