虞 立，王國群，袁忠明，周肅文

（1.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇南京 211103；2.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇南京 210008）

地震波散射的觀測和研究始于20世紀(jì)60年代末，到80年代地震波散射已成為一個非?；钴S的研究領(lǐng)域。截至目前，國內(nèi)外關(guān)于地震波散射的理論研究已取得了很大進(jìn)展，研究認(rèn)為地震波散射是探測地下介質(zhì)三維非均勻性的有力工具［1］。

散射波和反射波在波場特征、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征等方面都存在差別，導(dǎo)致在資料采集、處理和解釋技術(shù)方法的選擇以及所能解決的地質(zhì)問題等方面都有所不同［2］?？偟膩碚f，散射波地震勘探方法及其相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用才剛剛起步，公開發(fā)表的應(yīng)用研究成果不多。在金屬礦勘探領(lǐng)域，徐明才等［3］在蔡家營多金屬礦區(qū)開展了散射波地震方法的試驗研究；尹軍杰等［4］在銅陵某礦區(qū)應(yīng)用散射波正演模擬指導(dǎo)金屬礦地震數(shù)據(jù)采集的觀測系統(tǒng)設(shè)計，對所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行了基于等效偏移距的共散射點(diǎn)成像處理。在工程勘查領(lǐng)域，趙永貴等［5－6］提出了基于散射與反射混合模型的隧道地震超前預(yù)報技術(shù)（TST）；張卿等［7］應(yīng)用TST 技術(shù)較好地解決了貴州巖溶地區(qū)隧道施工過程中基本地質(zhì)要素和災(zāi)害性地質(zhì)對象超前預(yù)報的難題。而在油氣勘探領(lǐng)域，有關(guān)散射波理論應(yīng)用研究的側(cè)重點(diǎn)則多在于如何估算并消除復(fù)雜地區(qū)地震資料中近地表散射噪聲的影響［8］。

對于淺表層精細(xì)勘查來說，需要解決的地質(zhì)問題主要是復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造（如陡傾角、多斷裂、橫向非均勻性較大的構(gòu)造）和小尺度的非均質(zhì)體（如巖溶、矸石、采空區(qū)、滑動面、巖石孔隙）等。而表層介質(zhì)的不均勻性最強(qiáng)、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，是散射源的主要分布區(qū)域，高陡山地陡峭地形、不同物性介質(zhì)的交界面、溶洞、裂縫、凹凸不平的低降速帶底界等都是表層主要的散射源。在這種情況下，反射波地震勘探方法往往受困于低信噪比問題難以奏效，而采用散射波地震勘探技術(shù)來研究復(fù)雜的淺表層波場特征更具其合理性與針對性。

我們在簡要闡明地震散射波原理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了地震散射剖面法（Seismic Scattering Profile，SSP）數(shù)據(jù)采集、資料處理和成果解釋等技術(shù)要點(diǎn)，給出了SSP 法在某隧道路線方案比選工程勘查中的應(yīng)用實(shí)例。選擇實(shí)際SSP 資料典型剖面解析地震散射成像揭示的異常特征，對局部非均勻體、層位界面和多次反射進(jìn)行了詳細(xì)論述。散射波地震勘探技術(shù)在工程勘查實(shí)際應(yīng)用中取得的研究成果，有望為油氣地震勘探中低信噪比地區(qū)復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)的精細(xì)地質(zhì)調(diào)查提供參考和借鑒。

1 散射波地震勘探技術(shù)

1.1 散射波理論基礎(chǔ)

當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面尺度遠(yuǎn)大于地震波波長時，地震波傳播遵從層狀介質(zhì)中的反射理論，反射波能量強(qiáng)，并沿著反射角等于入射角的方向傳播（圖1a）。反射縱波的波動方程為

式中：U為縱波位移；vP為縱波速度。當(dāng)?shù)刭|(zhì)界面的尺度小于地震波波長時，地震波的傳播遵從散射理論，不再具有單一的方向，而是以散射點(diǎn)為中心向四面八方傳播（圖1b）。在Born近似下，散射縱波的傳播方程為

其中，US為散射波位移；UI為入射波位移；α（x）代表波阻抗異常的分布；v0代表介質(zhì)的區(qū)域背景波速。

方程（2）表明，散射波方程是一個被動源方程，在外界振動的激勵下，波速異常體向周圍發(fā)散地震波，這就是散射波的物理基礎(chǔ)。

圖1 反射理論（a）和散射理論（b）示意模型

地震勘探共炮點(diǎn)記錄中反射波與散射波的走時t分別遵從如下方程：

方程（3）為反射波走時方程；方程（4）為散射波走時方程。其中，h1為反射界面埋深；h2為散射點(diǎn)埋深；v為波速；ti為入射波走時；t0為最小走時。

1.2 地震散射剖面法（SSP）

當(dāng)?shù)卣鸩ㄈ肷涞降叵聲r，地下介質(zhì)中反射波和散射波同時存在，用單一的反射理論或散射理論來描述地下介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)都是不全面的。地震散射剖面法（SSP）以地震散射理論為基礎(chǔ)，通過反射與散射的混合模型來解析地下空間結(jié)構(gòu)，有利于提高淺表層小尺度離散地質(zhì)體勘查資料的信噪比和分辨能力。

1.2.1 SSP數(shù)據(jù)采集

SSP地震散射剖面法的野外數(shù)據(jù)采集可以是三維面積觀測，也可以是二維剖面觀測。其觀測系統(tǒng)設(shè)計與地震反射波測量方法類似，但是對激發(fā)和接收點(diǎn)間距及排列長度有特定的要求。常用的二維剖面觀測有兩種采集方式：一種是大排列方式；另一種是滾動方式。

大排列采集方式適合地震記錄儀器通道數(shù)較大的情況。檢波器沿測線等間距布置，檢波器間距小于面波波長的1／4，排列長度大于2 個面波波長，以便滿足濾除面波的要求。從排列一端到另一端等間距布置激發(fā)點(diǎn)，激發(fā)點(diǎn)間距為檢波器間距的2倍，排列兩端偏移2～4個激發(fā)點(diǎn)。對于較長的勘探剖面，可以采用多個大排列首尾相接，相鄰排列間保證足夠長的偏移覆蓋距離作拼接（圖2）。

圖2 SSP大排列數(shù)據(jù)采集方式

在地震記錄儀器通道數(shù)較小的情況下可采用滾動采集方式。檢波器等間距排列，激發(fā)點(diǎn)設(shè)在排列一端，一直保持兩個檢波器距離的偏移。完成一個點(diǎn)的激發(fā)后，檢波器與激發(fā)點(diǎn)同步向前移動，移動距離為兩個檢波器間距。

1.2.2 SSP數(shù)據(jù)處理

反射理論與散射理論對于地震記錄的定義是截然不同的。反射理論認(rèn)為地震記錄是發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)中間剖面的反射；而散射理論認(rèn)為地震記錄是發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)間橢球面內(nèi)散射信號的等時程疊加（圖3）。所以，散射理論與反射理論的資料處理方法也是不同的。在散射波資料處理中沒有CMP和CDP 的概念，而是以射線為基本單元，用疊加能量最大化原理確定掃描速度，以偏移成像作為主要處理方法［6］。

圖3 反射理論（a）和散射理論（b）對地震記錄的定義

SSP數(shù)據(jù)處理包括方向濾波、速度掃描和地質(zhì)體偏移成像等3個主要步驟。

1）方向濾波。方向濾波是利用不同方向傳播的地震波在觀測記錄中具有不同的視速度這一特征來實(shí)現(xiàn)波場分離，因此也稱視速度濾波。SSP技術(shù)采用F－K 變換來進(jìn)行方向濾波，濾除地表面波和直達(dá)波，保留地下反射波和散射波。很多地下孤立地質(zhì)體的散射信號很弱，如果不采用方向濾波濾除面波干擾，這些地質(zhì)體的響應(yīng)很難突顯出來。

2）速度掃描。SSP速度掃描是利用疊加能量最大化原理，即當(dāng)掃描速度接近地下介質(zhì)真實(shí)波速時，由同一點(diǎn)發(fā)出的散射波的能量疊加出現(xiàn)極大值。這一方法與反射地震速度譜分析的原理類似，不同的是在反射地震數(shù)據(jù)處理中使用CDP 或CMP道集，而SSP使用的是共散射點(diǎn)道集。其計算公式為

在速度掃描計算中，首先設(shè)定速度可能的最小值和最大值以及掃描中速度的增量值（一般取最大值與最小值之差的1／10）。對于掃描中的每一速度值都會得到疊加能量，做出速度－能量曲線，曲線的極值即為真實(shí)的地下介質(zhì)波速。SSP 數(shù)據(jù)包含了不同偏移距的資料，基于SSP 疊加能量最大化原理，同時考慮反射層和散射點(diǎn)，判斷速度最優(yōu)值。

3）散射成像。SSP偏移成像使用的資料是經(jīng)過方向濾波處理后的地震數(shù)據(jù)和速度掃描得到的初始速度分布，采用基于Kirchhoff積分的合成孔徑成像技術(shù)對地下介質(zhì)的散射強(qiáng)度進(jìn)行成像，獲得疊前深度偏移剖面。在Kirchhoff積分中包含了反射和散射等所有地震波場及其不同的走時規(guī)律，有效解決了反射與散射同時存在的問題。合成孔徑成像技術(shù)的Kirchhoff積分可以表達(dá)為觀測曲面內(nèi)所有炮點(diǎn)記錄的積分：

式中：α（r）為散射成像目標(biāo)，即表征巖土介質(zhì)力學(xué)性狀的散射強(qiáng)度；rs和rr分別為發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)的位置；ga和gb分別為入射與散射能量相對應(yīng)的幾何補(bǔ)償函數(shù)；v為由（5）式和（6）式聯(lián)合求取的偏移速度。

1.2.3 SSP資料解釋

地震散射SSP疊前深度偏移剖面的物理意義與反射地震法的疊前深度偏移剖面有所不同，其解釋主要依據(jù)以下準(zhǔn)則：根據(jù)偏移中地震波的走時信息確定散射體的位置；根據(jù)散射強(qiáng)度成像的極性與幅值確定介質(zhì)的力學(xué)性狀，即模量的分布特征——散射強(qiáng)度的極性為正表示異常體波速高、模量高、強(qiáng)度高，散射強(qiáng)度極性為負(fù)表示波速低、強(qiáng)度低（松散），散射強(qiáng)度正、負(fù)幅值的高低則表示介質(zhì)中存在變硬或變軟的界面（異常體），數(shù)值越大其軟、硬差異越大。

2 工程勘查實(shí)例

某隧道路線方案比選工程勘查的地質(zhì)任務(wù)是查明沿線第四系覆蓋層厚度、基巖埋深及起伏形態(tài)和淺表層地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，探明工區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象和確定沿線地下是否有障礙物存在及其分布情況，從而為隧道的建設(shè)施工提供物探依據(jù)。

項目設(shè)計要求勘查最大深度為80m，原計劃采用高密度電法和反射地震勘探方法相結(jié)合的綜合物探方案對隧道穿越地段進(jìn)行勘查，但高密度電法因受場地條件和裝置限制不能達(dá)到目的深度；反射地震法也因復(fù)雜地表問題和不能采用炸藥激發(fā)方式增加震源能量等原因未能取得理想效果。從反射縱波勘探的單炮試驗記錄（圖4）可見，反射波有效信號的信噪比很低。

圖4 反射地震縱波勘查單炮記錄

鑒于本次工程勘查是將地質(zhì)調(diào)查、工程鉆探與工程物探同步開展的實(shí)際情況，決定在高密度電法勘查的基礎(chǔ)上，開展散射波地震勘探技術(shù)的應(yīng)用試驗研究，以期在通過物探方法補(bǔ)充與完善鉆孔之間淺表層地質(zhì)資料的同時，通過地質(zhì)調(diào)查和工程鉆探的成果資料來驗證散射波地震技術(shù)的應(yīng)用效果。

2.1 工區(qū)概況及地震地質(zhì)條件

勘查工區(qū)屬低山丘陵區(qū)，地貌形態(tài)比較復(fù)雜。測段穿越某山脈西延尾端丘崗，山勢呈橢圓形，有山埠7 座，樹木茂密，地形高差較大，最大高差近60m，局部地區(qū)地形較陡，最大坡度在45°左右，地震施工難度較大。

測段沿線表層覆蓋層厚薄不一，主要為性質(zhì)良好的粘土，部分出露。巖層主要為浦口組的泥質(zhì)砂巖、砂巖、礫巖，具體巖相表現(xiàn)為褐紅—磚紅色泥質(zhì)粉砂巖、含礫粉砂巖（局部間夾薄層泥巖），磚紅色間灰黃色礫巖。泥質(zhì)粉砂巖、含礫粉砂巖總體膠結(jié)較差，巖體強(qiáng)度較低，遇水軟化；礫巖膠結(jié)較好，強(qiáng)度較高，巖性變化較大。

淺表層巖層傾向多為北東向，傾角為13.0°～21.3°；巖體以鈣質(zhì)、砂、泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度較好，強(qiáng)度較高；卵礫石含量達(dá)80%以上，卵礫石粒徑一般為2～15cm，最大可達(dá)75cm，卵礫石成分較為復(fù)雜，主要為石英砂巖、灰?guī)r及少量安山巖、凝灰?guī)r，次磨圓—次棱角狀。巖體局部夾有薄層泥巖或泥質(zhì)砂巖，在后期內(nèi)外應(yīng)力的作用下，可見有小型錯落現(xiàn)象，產(chǎn)狀近似垂直，最大錯距為15～55m。

2.2 SSP數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)施工場地條件，本次工程勘查的SSP 數(shù)據(jù)采集采用大排列拼接形式。采樣率0.125ms，記錄長度0.8s。震源采用18磅大錘人工敲擊叩板，激發(fā)點(diǎn)距為6～8m，檢波器為100 Hz縱波檢波器，埋入深度20～50cm，道間距3m，疊加次數(shù)15～20次。

對采集的數(shù)據(jù)作了上述3個主要步驟的SSP數(shù)據(jù)處理，給出的最終成果剖面為疊前深度偏移剖面。

2.3 SSP異常特征解析

以本次采集的D2測線的SSP疊前深度偏移剖面（圖5）為例，解析本次隧道路線方案比選工程勘查的SSP異常特征，以檢驗地震散射波勘探技術(shù)用于淺表層結(jié)構(gòu)精細(xì)勘查的可行性及其應(yīng)用效果。

由圖4和圖5可見，在地表和地下地質(zhì)條件及震源能量基本一致的情況下，采用常規(guī)反射波地震勘探技術(shù)難以取得滿意的效果時，利用散射波勘探技術(shù)成功取得了目的深度以下的有效地質(zhì)信息（圖5剖面顯示的最大深度為150m）。為了甄別SSP技術(shù)所獲150m 深度內(nèi)信息的可靠性，采用同期開展的地質(zhì)調(diào)查和工程鉆探成果對SSP異常進(jìn)行對比解析（圖6）。

先從縱向上作對比分析。由地質(zhì)調(diào)查和鉆探資料可知，探測區(qū)間埋深80m 內(nèi)由表及深巖性依次為填土（薄層）、泥質(zhì)砂巖（較薄層）、礫巖層（厚，夾破碎礫巖薄層）、砂巖層。從圖5的特征看，由地表到最大探測深度150m 之間大致可以分為3層：中間近乎純黃色部分與鉆探揭示的礫巖層相對應(yīng)；底部的粗條紋與礫巖層下的砂巖層相對應(yīng)；而淺表層的條紋特征與底部的條紋相比較細(xì)，且規(guī)律性略差，推論SSP 對填土和泥質(zhì)砂巖薄層分辨率較差。關(guān)于測段末段局部的砂巖層分布，可以通過礫巖層特征（純黃色圖像）的突然變化來解釋。圖5剖面中紅藍(lán)（或黃綠）條紋相間是巖性密實(shí)度變化的反映，也就是模量變化的表現(xiàn)，巖性密實(shí)度變化越大，地震散射強(qiáng)度變化也就越大。

再從橫向上作對比分析。圖5剖面中出現(xiàn)3處局部紅藍(lán)條紋相間的圖像特征（即圖5中的A，B，C），這與地質(zhì)調(diào)查和鉆探揭示的總體形態(tài)一致但略有差異，根據(jù)地震散射理論推斷在填土層下存在巖層局部破碎。對比圖7 所示高密度電法成果剖面上的3 處異常顯示（即圖7 中的A，B，C），可見兩種方法所探測出的局部異常位置對應(yīng)較好。SSP成果為解釋高密度電法“凹形低阻”的A異常提供了很好的佐證，即局部破碎且含水量較高。

以圖5剖面中特征最為顯著的“A異?！睘槔?，分析SSP異常的垂向特征。在“A異?！毕路浇跫凕S色部分的礫巖層中出現(xiàn)黃綠相間條紋，在礫巖層與其下粗條紋的砂巖層結(jié)合面上、下開始出現(xiàn)紅藍(lán)相間條紋，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和鉆探資料分析，不可能存在約40m 寬的垂向破碎帶，推斷這是由填土層下伏泥質(zhì)砂巖局部破碎所引起的多次反射干擾波。而“B異常”多次反射干擾同樣存在，“C異常”多次反射干擾特征不明顯。推論淺部異常信號越強(qiáng)，多次反射干擾波越明顯。通過這些多次反射的特征分析可以推斷，礫巖層與砂巖層結(jié)合面上、下出現(xiàn)紅藍(lán)相間條紋的起始點(diǎn)即為巖層分界面。同樣以“A異?！睘槔?，在其下方較深處紅藍(lán)相間條紋的左側(cè)也出現(xiàn)零星紅藍(lán)相間點(diǎn)，與“B異?！倍啻畏瓷浼t藍(lán)相間干擾特征的起始點(diǎn)深度基本一致，且具有線性關(guān)系。

圖7 高密度電法剖面

3 結(jié)束語

地震勘探所研究的對象既有如巖性分界面、斷層等中深層的大尺度反射界面，也有如巖溶、采空區(qū)、孤石等淺表層的小尺度離散地質(zhì)體，基于反射與散射混合模型的SSP法對于淺表層小尺度離散地質(zhì)體的精細(xì)勘查具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。

隧道路線方案比選工程勘查實(shí)例應(yīng)用研究的SSP異常分析解釋結(jié)果表明，在地表和地下復(fù)雜程度及震源能量基本相同的情況下，SSP資料的探測深度和信噪比均優(yōu)于常規(guī)反射地震資料。通過與同期開展的地質(zhì)調(diào)查和工程鉆探資料進(jìn)行對比，結(jié)果表明了SSP法所獲信息的可靠性與準(zhǔn)確性。散射波地震勘探技術(shù)的工程勘查應(yīng)用實(shí)例取得了較好的探測效果，對油氣勘探中低信噪比地區(qū)復(fù)雜近地表結(jié)構(gòu)的精細(xì)地質(zhì)調(diào)查具有現(xiàn)實(shí)的參考意義。

散射波地震勘探技術(shù)的研究與應(yīng)用總體上還處于起步階段，目前公開發(fā)表的應(yīng)用研究成果還相對較少，其數(shù)據(jù)處理技術(shù)尚有待不斷完善，成果解釋的思路仍需不斷探索與總結(jié)。我們相信隨著研究的不斷深入和應(yīng)用的不斷推廣，散射波地震技術(shù)必將在解決復(fù)雜地質(zhì)勘探問題方面發(fā)揮積極的作用。

［1］尹軍杰，劉學(xué)偉，李文慧.地震波散射理論及應(yīng)用研究綜述［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2005，20（1）：123－134 Yin J J，Liu X W，Li W H.The view of seismic wave scattering theory and its applications［J］.Progress in Geophysics，2005，20（1）：123－134

［2］勾麗敏，劉學(xué)偉，雷鵬，等.金屬礦地震勘探技術(shù)方法研究綜述——散射波地震勘探方法［J］.勘探地球物理進(jìn)展，2007，30（2）：85－90 Gou L M，Liu X W，Lei P，et al.Review of seismic survey in mining exploration：scattered wave seismic exploration［J］.Progress in Exploration Geophysics，2007，30（2）：85－90

［3］徐明才，高景華，榮立新，等.散射波地震方法在蔡家營多金屬礦區(qū)的試驗研究［J］.物探與化探，2003，27（1）：49－54 Xu M C，Gao J H，Rong L X，et al.An experimental study of seismic scattering event method in the Caijiaying polymetallic ore district［J］.Geophysical and Geochemical Exploration，2003，27（1）：49－54

［4］尹軍杰，王偉，王赟，等.地震散射波模擬與成像方法在銅陵某礦區(qū)的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24（4）：1367－1376 Yin J J，Wang W，Wang Y，et al.A case study：the numerical simulation and imaging of seismic scattered waves applied to the Tongling ore field［J］.Progress in Geophysics，2009，24（4）：1367－1376

［5］Zhao Y G，Jiang H，Zhao X P.Tunnel seismic tomography method for geological prediction and its application［J］.Applied Geophysics，2006，3（2）：69－74

［6］趙永貴，蔣輝.隧道地震超前預(yù)報技術(shù)現(xiàn)狀分析與新進(jìn)展［J］.公路隧道，2010，69（1）：1－7 Zhao Y G，Jiang H.Technique progress of tunnel geological prediction ［J］.Highway Tunnel，2010，69（1）：1－7

［7］張卿，羅宗帆.TST 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在貴州巖溶地區(qū)的應(yīng)用［J］.隧道建設(shè)，2012，32（3）：398－403 Zhang Q，Luo Z F.Application of TST advance geology prediction technology in Karst areas in Guizhou［J］.Tunnel Construction，2012，32（3）：398－403

［8］吳希光，李亞林，張孟，等.復(fù)雜地區(qū)地震資料低信噪比的原因及對策（一）——表層散射波是導(dǎo)致地震資料低信噪比的根本原因［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（1）：27－32 Wu X G，Li Y L，Zhang M，et al.Causes of and solutions to a low signal－to－noise ratio of seismic data in complex areas，part Ⅰ：scattering of surface wave resulting in low signal－to－noise ratio of seismic data［J］.Natural Gas Industry，2012，32（1）：27－32