李建寧 ，胡澤安，丁美青，王小明

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

地震橫波勘探在城市淺層地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

李建寧 ，胡澤安，丁美青，王小明

（安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院， 安徽淮南232001）

探查地下巖土層結(jié)構(gòu)及構(gòu)造發(fā)育狀況，是城市淺層地質(zhì)調(diào)查一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容。橫波勘探具有垂向分辨率高、受地質(zhì)條件影響小等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用在城市淺層巖土勘查中。文章以福建某市城區(qū)橫波勘探為例，分析城市中激發(fā)震源的能量大小、硬質(zhì)路面的檢波器安置等因素，進(jìn)行淺層地質(zhì)調(diào)查，探測(cè)結(jié)果表明松散層與基巖分界面反射能量強(qiáng)，而斷層破碎帶處反射信號(hào)同相軸缺失、錯(cuò)位且雜亂，易于分辨。結(jié)合鉆孔揭示結(jié)果，表明橫波勘探方法可在淺層地質(zhì)勘查中發(fā)揮良好作用。

橫波勘探； 城市地質(zhì)調(diào)查； 淺層巖土分層； 斷層破碎帶

1 引 言

地震反射波法作為一種快捷且有效的地球物理勘探方法被廣泛應(yīng)用到礦產(chǎn)資源勘探、工程地質(zhì)勘查、城市地質(zhì)調(diào)查、海洋地震勘探、考古等地質(zhì)調(diào)查工作中。在反射波中橫波與縱波相比，具有傳播速度低、頻率低、受干擾影響小等優(yōu)點(diǎn)，因此橫波勘探有著比縱波勘探更高的垂向分辨率以及對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件更好的適應(yīng)性，這在城市淺層地質(zhì)調(diào)查中具有重要意義[1-3]。

最近幾年，國(guó)內(nèi)研究與實(shí)踐表明，標(biāo)準(zhǔn)的橫波采集和處理在縱波反射勘探效果不佳的淺層巖土勘探中較為有效。但目前橫波勘探以應(yīng)用實(shí)例為主，而理論研究較少。陳國(guó)玉（2014）、陳相府（2007）[1-2]主要利用橫波法探測(cè)精度高、受含水層影響小的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行第四系松散層的層序劃分與厚度探測(cè)，并取得了較好的效果，為城市淺層巖土分層提供一種可靠的方法；馬董偉（2015）、趙富有（2008）、徐白山（2007）[3-5]利用橫波法探測(cè)城市淺層斷層、破碎帶及含水洞穴，并與其他物探及鉆探結(jié)果相結(jié)合，進(jìn)行綜合解釋；李顏貴（2014）、王小江（2010）[6-7]利用縱橫波聯(lián)合勘探方法，發(fā)揮縱波探測(cè)深度大以及橫波精度高的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)單一方式勘探的缺陷。本文以福建莆田市淺層地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目為例，在城郊地區(qū)進(jìn)行橫波勘察，討論其影響因素，分析橫波反射法在淺層分層與構(gòu)造異常體探查中的可靠性，為同類地質(zhì)條件探查施工提供參考。

2 橫波勘探原理

地震橫波法是一種利用地下不同介質(zhì)之間的波阻抗差異，在界面上產(chǎn)生反射橫波的一種地球物理探測(cè)方法。其原理如圖1，主要是在垂直于測(cè)線的方向上施加水平?jīng)_擊力，以形成向下傳播的SH波，SH波從界面反射后到達(dá)地面，被靈敏軸垂直于測(cè)線布置的水平檢波器接收。

當(dāng)入射波為SH波時(shí)，在反射界面上，只會(huì)產(chǎn)生同類反射波，而不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波，因此SH波反射波波型簡(jiǎn)單，且由于這種波的入射線和反射線對(duì)稱，與常規(guī)縱波反射時(shí)距曲線有相似特點(diǎn)，因此它的數(shù)據(jù)采集、處理方法及流程與縱波勘探也基本相同[8-11]。

圖1 反射橫波法工作原理示意圖

3 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)分析

3.1 探查區(qū)地質(zhì)地球物理?xiàng)l件

本次試驗(yàn)地段位于福建某地城郊區(qū)域，地處平原，地表總體為西南高東北低，地面上河流與小池塘較多，淺層激發(fā)條件較為理想，但房屋密集，部分測(cè)線布置于村中水泥路上，路面的高速屏蔽影響了勘探深度，對(duì)實(shí)際勘探施工較為不利。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，本區(qū)淺層地震地質(zhì)條件可大致分為淺部松散層與深部基巖層兩個(gè)部分，淺部為第四系的沖積土，覆蓋層厚度受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，厚度差異較大，波速較低；深部為火成巖類堅(jiān)硬巖組，密度與波速較淺層相比有很大提升，兩層間波阻抗差異明顯，可能形成較為強(qiáng)烈的反射?；鶐r中的斷裂構(gòu)造中斷層處裂縫處風(fēng)化作用強(qiáng)烈，在基巖面上產(chǎn)生風(fēng)化槽，使得局部地區(qū)上覆土層的厚度增大。測(cè)區(qū)范圍全、強(qiáng)風(fēng)化厚度不均，平均厚度10-40 m，揭示風(fēng)化槽內(nèi)厚度可達(dá)30-40 m。深部火成巖沒有明顯的分層，全線基巖面的上覆土層厚度不均。

3.2 城市地區(qū)橫波勘探的影響因素

3.2.1 震源能量

在實(shí)際工程應(yīng)用中，錘擊震源由于其成本低、操作便捷、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為淺層地震橫波勘探中使用的主要震源。但是錘擊震源也存在著震源能量不足、穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)，而在水泥路面橫波因其頻率高，衰減較快，當(dāng)排列長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí)，排列遠(yuǎn)端的信號(hào)能量過小，將無法滿足采集的數(shù)據(jù)所需的信噪比要求。因此，采用與震源能量相匹配的排列長(zhǎng)度才能得到質(zhì)量較好的地震數(shù)據(jù)。

圖2為試驗(yàn)采集的單炮記錄。試驗(yàn)排列布置在硬質(zhì)路面上，采用48道檢波器接收、道間距與最小偏移距均為2 m、總排列長(zhǎng)約100 m，激發(fā)震源為24磅大錘與可控震源。從圖2（a）中可以看出，在前24道中可以看到較為清晰的直達(dá)波與反射波，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，而從第24道以后的數(shù)據(jù)信噪比明顯降低，有效信號(hào)難以被識(shí)別，這無疑會(huì)加大后期數(shù)據(jù)處理的難度。因此在實(shí)際的硬質(zhì)路面橫波勘探中，使用錘擊震源的排列長(zhǎng)度不宜超過50 m，若要增加排列長(zhǎng)度，則需改用能量更強(qiáng)的落重方式以及可控震源。

（a）錘擊震源

（b）可控震源

圖2（b）為可控震源單炮采集記錄，采用機(jī)械震源，能量大，一致性好，震源遠(yuǎn)端信號(hào)效果仍然較明顯，反射波同相軸清晰，采集的信號(hào)信噪比高，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

3.2.2 檢波器耦合

由于在城市中勘探場(chǎng)地以硬質(zhì)路面為主，在測(cè)線布置時(shí)需選擇一種既方便攜帶與使用，又與地面耦合效果較好的檢波器安置方式。目前在實(shí)際工程勘察應(yīng)用中，主要采用令檢波器直接與地面接觸和在壓實(shí)泥袋內(nèi)安置檢波器兩種方法，這兩種方式具體單道采集信號(hào)如圖3。其中1道為令檢波器直接與地面接觸時(shí)的采集信號(hào)，2道為在壓實(shí)泥袋內(nèi)安置檢波器時(shí)的采集信號(hào)。

圖3 檢波器安置方式信號(hào)對(duì)比圖

從圖中信號(hào)可以看出，2道信號(hào)中直達(dá)波能量與1道信號(hào)相同，但反射波能量遠(yuǎn)高于后者，說明水泥路面對(duì)反射波的能量吸收較大，高頻信號(hào)衰減較快，而在壓實(shí)泥袋中安置檢波器能夠明顯增強(qiáng)反射地震信號(hào)的能量，起到壓制噪聲，提高優(yōu)勢(shì)信號(hào)頻帶信噪比的作用。但在實(shí)際應(yīng)用施工中，當(dāng)測(cè)線較長(zhǎng)、工作量較大時(shí)，泥袋安置方法的效率太低，因此在硬質(zhì)路段可以采用石膏耦合的方式，盡量保證檢波器所接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

3.2.3 地表一致性

在實(shí)際野外采集地震數(shù)據(jù)中，影響地表一致性的因素主要為介質(zhì)差異與地形差異，介質(zhì)與地形的差異不僅會(huì)對(duì)記錄產(chǎn)生時(shí)移，而且還會(huì)改變地震反射的振幅、頻率和相位，使得地震記錄的子波存在一定的差異，影響后期數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性[12-14]。

在現(xiàn)場(chǎng)地震數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)在保證探測(cè)線路偏移不大的情況下，盡量將測(cè)線布置在地表介質(zhì)相同或相似的地段，詳細(xì)記錄地表介質(zhì)與地形變化較大的地點(diǎn)，以便于后期進(jìn)行地表一致性相位校正與反褶積。

3.3 數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)結(jié)合場(chǎng)地條件進(jìn)行施工，地震儀使用美國(guó)SI儀器公司生產(chǎn)的S-LAND全數(shù)字化地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，檢波器為日本OYO公司生產(chǎn)的28Hz橫波數(shù)字檢波器。震源為WTC5060TZY型縱橫波兩用可控震源車。本次地震勘探采用單邊排列，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取的參數(shù)如下：最小偏移距2m，炮間距8m，道間距2 m，48道接收，6次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)，采樣間隔0.5 ms，采樣點(diǎn)數(shù)為4K，橫波的激發(fā)方向與橫波傳播方向及檢波器最大靈敏度軸一致。觀測(cè)系統(tǒng)示意圖如下圖4。

圖4 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

3.4 資料處理與解釋

現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過施工完成2條測(cè)線，資料處理時(shí)經(jīng)過原始信號(hào)格式轉(zhuǎn)換、震幅恢復(fù)、地形靜校正、速度分析、動(dòng)校正、水平疊加等步驟，獲得相應(yīng)的疊加剖面。試驗(yàn)測(cè)區(qū)淺部土層橫波速度較低，約為300-600 m/s；深部基巖層橫波速度較高，達(dá)到1 000-2 000 m/s。根據(jù)橫波垂向分辨率計(jì)算方法，淺部地層最多可以分辨厚度為1 m左右的地層。

圖5 測(cè)線1反射地震剖面圖

圖6 測(cè)線1綜合地質(zhì)剖面圖

圖7 測(cè)線2反射地震剖面圖

圖8 測(cè)線2綜合地質(zhì)剖面面

圖5為勘探測(cè)線1橫波地震時(shí)間剖面，分析剖面內(nèi)的波形相特征，可見剖面上層次清晰，分辨率較高，自起點(diǎn)處250 ms向終點(diǎn)方向逐漸減小至200 ms左右處可見一清晰的同相軸波組，連續(xù)性較好，且在測(cè)線中部550 m-650 m處同相軸反射時(shí)間較大至270 ms左右，定名為T1波。另在170 m處同相軸缺失和錯(cuò)位，圈定為F1異常。在測(cè)線中部330 m-500 m之間，反射波信號(hào)連續(xù)性較差，同相軸缺失和錯(cuò)位并且信號(hào)雜亂，圈定F2-F3異常帶。

圖6是經(jīng)過時(shí)深轉(zhuǎn)換后得到的綜合地質(zhì)剖面解釋圖，依據(jù)上述分析，淺部土層速度取值為300-400 m/s時(shí)，進(jìn)行時(shí)深換算可得本測(cè)線基巖面起伏形態(tài)，經(jīng)波阻界面與測(cè)線上鉆孔ZK7、ZK129和ZK127進(jìn)行對(duì)比確定T1為基巖與第四系土層間較強(qiáng)的反射同相軸，第四系土層的厚度在20m-35m左右，主要為粉質(zhì)粘土與淤泥質(zhì)粘土，以及部分地區(qū)存在砂卵層；測(cè)線中部600 m處可見一明顯的風(fēng)化凹槽，其深度可達(dá)35 m-40 m。F1根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料與鉆孔比較可判定為斷層，F(xiàn)2-F3之間為明顯的斷層破碎帶。

圖7與圖8分別為測(cè)線2的地震時(shí)間剖面和綜合地質(zhì)，可見一反射波同相軸T1波，其雙程反射時(shí)間在100-250 ms之間,初步推斷為基巖面反射，根據(jù)淺部土層橫波速度推斷，基巖面埋深在10 m-20 m之間，測(cè)線中段700-800 m處，可見一反射波雜亂區(qū)域，推斷為斷層構(gòu)造帶。綜合兩條測(cè)線結(jié)果可以看出，橫波勘探對(duì)城市淺層巖土層及斷層破碎帶反應(yīng)較為敏感，效果較好。

4 結(jié)論

因橫波頻率低、波速慢，其相較于縱波對(duì)地下地質(zhì)體的分辨率能力強(qiáng)，能夠?qū)Τ鞘袦\層巖土分層及斷層構(gòu)破碎帶等地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行有效探測(cè)與解釋，為后期城市勘探與建設(shè)提供依據(jù)。

在城市橫波勘探應(yīng)用中，受到復(fù)雜環(huán)境條件的影響，現(xiàn)場(chǎng)需要結(jié)合震源能量大小選取合適的采集長(zhǎng)度，提高檢波器在硬質(zhì)路面的耦合程度，并且需要采取適當(dāng)?shù)哪芰刊B加方式，有助于提高地震波數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

城市勘查中地表一致性較為復(fù)雜，在實(shí)際施工中要盡可能的使測(cè)線垂直于斷層破碎帶，同時(shí)做好詳細(xì)的場(chǎng)地與施工狀況記錄，保證后期研究的精細(xì)化，以提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，并結(jié)合其他物探方法及鉆探所顯示的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與綜合解釋。

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2016-12-07

李建寧（1992-），男，江蘇南京人，碩士研究生,研究方向?yàn)楣こ膛c環(huán)境地球物理，電話：18855480513。

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