關(guān)仲波

（中國(guó)石油集團(tuán)東方地球物理公司大慶物探一公司，黑龍江大慶163357）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市對(duì)地下空間的利用需求持續(xù)升高，而城市地表淺層地質(zhì)構(gòu)造的勘測(cè)成為地下空間利用的重要環(huán)節(jié)。城市內(nèi)的自然地質(zhì)環(huán)境對(duì)地質(zhì)探測(cè)方法提出一定的要求，而且各種復(fù)雜的人為因素也加大了地質(zhì)探測(cè)技術(shù)的難度。由于城市內(nèi)存在各種類型的電磁波，同時(shí)建筑物內(nèi)包含錯(cuò)綜復(fù)雜的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，電磁探測(cè)技術(shù)、電法探測(cè)技術(shù)等傳統(tǒng)的地質(zhì)探測(cè)方法均會(huì)受到干擾而無法使用。淺層地震探測(cè)技術(shù)可重構(gòu)出地層下的地質(zhì)構(gòu)造圖像，獲取巖土物理參數(shù)和相關(guān)的地震波參數(shù)，不需要鉆孔破壞地表結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備較高的探測(cè)效率和精度，適用于環(huán)境復(fù)雜的城市地區(qū)[1-2]。

1 淺層地震基本原理

淺層地震探測(cè)技術(shù)依靠人為干預(yù)產(chǎn)生地震波并分析其在地下儲(chǔ)層中的傳播過程，依照地震波頻率、相位、振幅等特征參數(shù)的變化特點(diǎn)來計(jì)算預(yù)測(cè)地表淺層的具體結(jié)構(gòu)，同時(shí)可對(duì)地下巖芯、土質(zhì)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量確定。

淺層地震探測(cè)技術(shù)通過人為方式在地表的某一個(gè)位置激勵(lì)主動(dòng)產(chǎn)生地震波，根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造，兩種不同構(gòu)造的分界面存在阻抗差異，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ练纸缑鏁r(shí)被反射回地震波激勵(lì)點(diǎn)并產(chǎn)生振動(dòng)。通過測(cè)量地震波在地層中的傳播速度、發(fā)射反射所經(jīng)歷的時(shí)間和各個(gè)探測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置可計(jì)算得到分界面的地層深度、傾斜角度等具體數(shù)據(jù)。假設(shè)分界面的地層深度為h，地震反射波傳播所經(jīng)歷的時(shí)間如式（1）所示。

式中：tf——縱波反射傳播所經(jīng)歷的時(shí)間，s；

v0——地震波在地層中的傳播速度，m/s；

x——震源和探測(cè)點(diǎn)之間的距離，m；

h——反射界面在地層中的深度，m；

t0——地震波在垂直方向上反射所經(jīng)歷的時(shí)間，s。

假設(shè)分界面的傾斜角度為θ，則地震反射波傳播所經(jīng)歷的時(shí)間如式（2）所示。

2 淺層地震探測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

淺層地震探測(cè)技術(shù)集中應(yīng)用在利用地表淺層地下空間的城市區(qū)域，探測(cè)數(shù)據(jù)可作為城市的土地發(fā)展規(guī)劃、建筑施工的基礎(chǔ)依據(jù)。根據(jù)地震波的種類，淺層地震探測(cè)技術(shù)主要分為面波、S波和P波等類型。淺層地震探測(cè)技術(shù)剛開始發(fā)展時(shí)通常使用P波進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，較少使用S波進(jìn)行勘探。由于面波可較好地規(guī)避P波所存在的技術(shù)缺陷，在勘探領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。隨著地震拖纜技術(shù)的出現(xiàn)，S波地震探測(cè)技術(shù)開始具備較強(qiáng)的實(shí)用性，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中才出現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

在地表深層的含水區(qū)域通常采用P波反射方式進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)探測(cè)與圖像重構(gòu)，而對(duì)于地層中地質(zhì)構(gòu)造特征通常采用P波折射方式揭示。地表淺層地震探測(cè)通常采用P波的折射方式，P波主要在水平方向上傳輸移動(dòng)，但是在地表淺層巖土結(jié)構(gòu)中水平方向上地層特性不斷變化，導(dǎo)致P波在淺層地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)過程中會(huì)出現(xiàn)成像分辨率過低的現(xiàn)象。為了解決此問題，專家學(xué)者通過全波形反演、約束算法等技術(shù)對(duì)P波的速度模型進(jìn)行改進(jìn)，但未達(dá)到預(yù)期效果。

由于P波存在上述技術(shù)缺陷，20世紀(jì)八九十年代利用反向推演瑞雷波的方法計(jì)算S波在地表淺層的傳播速度，通過幾十年的深入研究與技術(shù)更新，逐漸發(fā)展變成地表淺層構(gòu)造探測(cè)的基礎(chǔ)技術(shù)方法，并且存在較大的發(fā)展空間。在實(shí)際測(cè)量中，通過獲得瑞雷波的相關(guān)參數(shù)，得到其頻散曲線，而曲線的特征值不但能夠反映S波在地表淺層的傳播速度數(shù)據(jù)，而且面波法獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)能夠作為地層圖像重構(gòu)和結(jié)構(gòu)特征表述的依據(jù)，對(duì)于技術(shù)人員全面掌握地質(zhì)構(gòu)造信息具有重要幫助。對(duì)于傳統(tǒng)的地震探測(cè)技術(shù)，一般盡量減弱外部環(huán)境所產(chǎn)生的干擾波，但是對(duì)于新型地震探測(cè)技術(shù)，對(duì)干擾波進(jìn)行收集并提取其中的有效信息，將這些數(shù)據(jù)作為探測(cè)的輔助信息。其中，將城市內(nèi)產(chǎn)生的噪聲作為激勵(lì)信號(hào)發(fā)出地震波而獲取相關(guān)信息成為目前研究的一個(gè)發(fā)展方向。

在過去的幾十年中，專家學(xué)者對(duì)S波的研究較為分散，沒有形成整體的理論體系，且研究成果沒有達(dá)到較好的預(yù)期效果[3-4]。S波之所以沒有得到廣泛應(yīng)用，主要原因是S波獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量無法得到有效的控制，技術(shù)人員也沒有掌握探測(cè)經(jīng)驗(yàn)。與P波相比，S波無法達(dá)到較深的深度，但是其在地表淺層巖土結(jié)構(gòu)中的傳播速度較低，有助于提高速度圖像的成像分辨率，可探測(cè)地表淺層構(gòu)造的具體細(xì)節(jié)。近些年隨著地震拖纜技術(shù)的應(yīng)用，S波探測(cè)技術(shù)也隨之開始逐漸發(fā)展，得到越來越多學(xué)者的關(guān)注，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中獲得更廣泛的應(yīng)用。

3 淺層地震探測(cè)技術(shù)最新進(jìn)展

在淺層地震探測(cè)過程中，通過探測(cè)設(shè)備可獲取大量的測(cè)試數(shù)據(jù)，然后通過相關(guān)的分析系統(tǒng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理，最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解釋。近些年來，淺層地震探測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在探測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)解釋等方面[5-8]。

3.1 探測(cè)裝置

在最近幾年，陸地拖纜技術(shù)逐步發(fā)展成熟，并有效的改善了S波探測(cè)的局限性，促使S波在實(shí)際探測(cè)中的應(yīng)用開始變得越來越廣泛[9]。在20世紀(jì)70年代，學(xué)者就開始對(duì)陸地拖纜技術(shù)進(jìn)行研究應(yīng)用，但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用并未取得良好效果，導(dǎo)致研究開始停滯。在20世紀(jì)90年代，城市建設(shè)的進(jìn)程不斷加快，道路多采用瀝青或者水泥材質(zhì)進(jìn)行鋪設(shè)。傳統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)采用發(fā)射接收勒夫波或者P波確定地質(zhì)構(gòu)造的原理，瀝青、水泥這種硬質(zhì)路面會(huì)對(duì)這兩種波的傳輸造成阻礙或削減，而經(jīng)過陸地拖纜改善后的探測(cè)技術(shù)可有效避免此問題，地震波不會(huì)受到硬質(zhì)路面的影響，對(duì)于城市探測(cè)具有良好的適用性。從1995年開始，Inazaki公司共研發(fā)了5種不同種類的陸地拖纜裝置，美國(guó)企業(yè)Bay Geophysical對(duì)其原理及特點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出了裝置缺陷的解決方案。同時(shí)，LIAG機(jī)構(gòu)、Ramboll公司、PFM公司、Montana公司、COWI公司等均對(duì)陸地拖纜設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，并完成了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

3.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

傳統(tǒng)的地震探測(cè)技術(shù)中需要在地面鋪設(shè)大量電纜傳輸探測(cè)的地震波數(shù)據(jù)，不僅增大了探測(cè)成本，而且耗費(fèi)人力物力，對(duì)地面交通等產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)節(jié)省了電纜鋪設(shè)所產(chǎn)生的一次性投資，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和便捷性。GEO SPACE公司研發(fā)的GSX數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，受到廣大用戶的一致認(rèn)可。Wireless Seismic公司研發(fā)的RT System 2數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)更新了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，在根本上?shí)現(xiàn)了技術(shù)的重大突破進(jìn)展，增加了數(shù)據(jù)傳輸通道的數(shù)量。

在傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)中，地震波信號(hào)是通過線性掃描的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，而在數(shù)據(jù)采集過程中掃描頻率與環(huán)境建造物的固有共振頻率相近，使建造物發(fā)生大幅振動(dòng)而被損壞。為解決共振問題，專家學(xué)者對(duì)偽隨機(jī)掃描進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，成功降低了共振發(fā)生的概率，在一定程度上避免了共振所造成的建造物損壞。

為了提高數(shù)據(jù)采集效率，解決地震數(shù)據(jù)龐大難于傳輸?shù)膯栴}，壓縮傳感技術(shù)在地震數(shù)據(jù)采集傳輸方面受到相關(guān)人員的關(guān)注，應(yīng)用越來越廣泛。壓縮傳感技術(shù)在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域取得了革命性的突破，與傳統(tǒng)采集方法不同，它基于非適應(yīng)線性投影方法避免原始數(shù)據(jù)被破壞，以極低的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并通過更準(zhǔn)確的算法重構(gòu)得到原始信號(hào)。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

外部環(huán)境的影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，導(dǎo)致地震探測(cè)存在諸多的不確定性，同時(shí)對(duì)地震數(shù)據(jù)處理計(jì)算會(huì)得到不同的分析結(jié)果。為了降低不確定因素對(duì)地質(zhì)重構(gòu)結(jié)果地影響，采用地震探測(cè)數(shù)據(jù)與其他物探數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[10]。在淺層地震探測(cè)所采集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，增加航空探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充完善，既引入了航空探測(cè)數(shù)據(jù)包含區(qū)域廣泛的優(yōu)勢(shì)，又可解決淺層地震探測(cè)不確定性大的問題。

4 結(jié)論

基于淺層地震探測(cè)技術(shù)的基本原理和研究現(xiàn)狀，分析淺層探測(cè)技術(shù)所存在的問題和發(fā)展方向，并總結(jié)淺層地震探測(cè)的最新研究進(jìn)展。得到以下結(jié)論：

（1）淺層地震探測(cè)技術(shù)通過人為方式在地表的某一個(gè)位置激勵(lì)主動(dòng)產(chǎn)生地震波，根據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造，兩種不同構(gòu)造的分界面存在阻抗差異，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ练纸缑鏁r(shí)被反射回地震波激勵(lì)點(diǎn)并產(chǎn)生振動(dòng)。通過測(cè)量地震波在地層中的相關(guān)參數(shù)可計(jì)算得到地下構(gòu)造。

（2）淺層地震探測(cè)技術(shù)通常使用P波勘探，面波可規(guī)避P波缺陷應(yīng)用越來越廣泛。地震拖纜技術(shù)促使S波具備較強(qiáng)實(shí)用性。

（3）探測(cè)裝置方面，傳統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)采用發(fā)射接收勒夫波或者P波確定地質(zhì)構(gòu)造的原理，瀝青、水泥這種硬質(zhì)路面會(huì)對(duì)這兩種波的傳輸造成阻礙或削減，而經(jīng)過陸地拖纜改善后的探測(cè)技術(shù)可有效避免此問題，地震波不會(huì)受到硬質(zhì)路面的影響。

（4）數(shù)據(jù)采集方面，數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)節(jié)省了電纜鋪設(shè)所產(chǎn)生的一次性投資，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和便捷性。偽隨機(jī)掃描可解決傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)中線性掃描所存在的共振問題，避免建造物發(fā)生大幅振動(dòng)而被損壞。為了提高數(shù)據(jù)采集效率，解決地震數(shù)據(jù)龐大難于傳輸?shù)膯栴}，壓縮傳感技術(shù)在地震數(shù)據(jù)采集傳輸方面受到相關(guān)人員的關(guān)注，應(yīng)用越來越廣泛。

（5）數(shù)據(jù)處理方面，為了降低不確定因素對(duì)地質(zhì)重構(gòu)結(jié)果的影響，采用地震探測(cè)數(shù)據(jù)與其他物探數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。