论文部分内容阅读
摘要：浅层地震反射法在工程地震勘察领域近年来得到广泛应用，特别是在海域地段的地质勘察，由于受到环境条件的限制较多，地震物探的使用从成本、效率及数据可靠性来讲都值得推荐。本文以厦门至漳州跨海通道工程勘察为例，着重论述在海域地段使用地震反射法探测基岩起伏特征、基岩风化槽的发育规模等，并结合地质钻探加以部分验证，成功的完成了勘察任务。
关键词：浅层地震反射法；海域；工程地质勘察；
Abstract: the shallow seismic reflection method in the field of engineering seismic investigation has been widely used in recent years, especially in the sea area geological survey, due to environmental conditions restriction, seismic geophysical use from cost, efficiency and reliability of data is worthy of recommendation.This paper takes Xiamen and Zhangzhou cross sea passageway engineering as an example, the sea area use seismic reflection method for detecting bedrock relief features, bedrock weathered trough development scales, and the combination of geological drilling to be part of the validation, successfully completed a survey mission.Key words: shallow seismic reflection method; sea area; engineering geological investigation;
中图分类号：U412.22 文献标识码：A文章编号：
1 浅层地震反射法在工程地质勘察领域应用背景
浅层反射地震勘探是地球物理勘探重要方法之一。早在３０年代就已应用于石油和天然气的勘探。但由于受到仪器精度和数字处理技术等因素的限制，直到８０年代初期，反射地震勘探方法才得以应用到工程勘察中来。近１０年来，随着信号增强、浮点放大、数字化地震仪的问世，以及计算技术的迅猛发展，捕捉、提取反射信息的能力大大提高，处理和分析手段也越来越先进和精细。正因为有了这些高新技术的发展，浅层反射地震勘探方法才以其丰富的信息、较高的分辨率，越来越受到广大工程物探人员的青睐。
另外，由于其具有使用费用较低、受环境条件限制较少、沿测线剖面基本连续等特点，在工程地质勘察领域得到了广泛的应用。特别是在海域地段的地质勘察过程中，由于自然环境的限制，采用地质钻探往往存在成本高、风险大、成孔困难等因素。而利用浅层反射地震勘探在划分硬质基岩岩面（本文主要针对划分弱、微风化花岗岩基岩面）、确定花岗岩风化深槽（风化槽的位置、埋深、规模等）、探测隐伏断裂等方面存在较大优势，对于解决初勘阶段的工程地质问题有着较好的指导性作用。
本文以厦门至漳州跨海通道工程地质勘察为例，论述在海域段使用浅层反射地震法来确定基岩岩面起伏情况及风化槽的发育特征。
2 在海域段使用浅层地震反射法应具备的条件
在海域段使用浅层地震反射法来划分基岩岩面起伏情况、确定风化槽的发育特征，应满足以下条件为宜。
2.1 基岩与第四系覆盖层间波速及密度差异明显，两者之间存在明显的波阻抗差异。满足该条件，基岩面可形成较为良好的地震波反射界面。
2.2覆盖层、全强风化带为低阻，弱微风化花岗岩为高阻。
3 走航式高密度地震反射波勘探方法
勘察过程中采用多道（12道）地震反射勘探方法，沿设计线和垂直设计线采用网格式位布置勘测测线。
3.1定位、导航
定位采用华测天骄X90型双频GPS－RTK接收机（见图1）。水平精度为±(10 + 1×10-6×D) mm， 垂直精度±(20 + 1×10-6×D) mm。
工作时GPS基站架设在水边基站，确保GPS-RTK的有效作业距离。GPS移动站放置在工作船上，接收基站差分信号，进行实时差分定位。
图1： 华测天骄X90型双频GPS－RTK基站
导航软件采用华测公司配套的HydroNav2.0导航软件系统（见图2）。定位观测与物探观测同步进行。工作前先将设计坐标输入，施工时设计测线和GPS－RTK接收机测量的实际位置同时显示在屏幕上，根据导航软件显示的船只运行轨迹、航向、航速及船只偏离设计测线的距离等，引导、指挥工作船按设计测线和要求的航速移动，随时按设计测线纠正航向及控制船速。
为精确提供各地层深度资料，避免不同观测时间潮位差所带来的水深差，工作中采用GPS－RTK工作，直接测得水面高程，从而对水域人工浅层地震解释资料进行潮差改正，改正精度为±0.1米。另外海域地段由于潮水水流对地震原始记录有较大的影响，工作选择在高平潮或低平潮时间段内进行物探工作。
图2：HydroNav2.0导航软件系统
3.2走航式高密度地震反射波勘探使用的仪器设备
仪器选用SWS-5型工程勘察与工程检测仪（见图3），该仪器具有瞬时采集功能，能在1.0秒内采集一次地震反射数据，为保证接收信号的真实性，工作中采用通频带接收、连续、自动记录方式。震源采用ZY-2A水上连续冲击震源船，一秒激发一次。接收电缆采用12道专用水上电缆，该检波器具有灵敏度高、分辨率高（接收信号只有一个子波）的特点。
图3：SWS-5型工程勘察与工程检测仪和震源船
3.3走航式高密度地震反射波勘探施工方式
图4：施工示意图
采用拖拉式连续航行和定时激发方式施工，即将震源船挂于工作船旁，接收电缆牵挂在震源船尾部向后延伸（见图7），实行连续航行、定时记录。地震原始记录与测量记录时间相关。
3.4施工前的试验工作
在正式开工前进行了方法试验，根据不同水深、不同软土层厚度、不同基岩埋深等条件下的激发能量、记录长度、采样率、频带宽度、电缆入水深度及最佳炮检距选择等试验，根据试验结果，各项参数选定如下：
3.5地震资料处理
地震资料的处理采用PMRflpro水域走航式高密度地震反射软件，其工作原理为：弹性波从震源向地层中传播遇到波阻抗不同的界面时会产生反射，并遵循反射定律。反射波回到地面所需的时间，与界面的埋深有关，根据反射波的时距曲线，可推求出所需探测界面的深度以及波在介质中传播的速度。
假设在地面下有一倾角φ的倾斜平坦界面，界面以上为均质介质，则其反射波可以看成由虚震源（震源对界面的对称点）出发经反射界面直达接收点M的波，如圖5，反射波时距曲线的表达式为：
图5反射波的时距曲线
PMRflpro水域走航式高密度地震反射软件其处理流程为：
预处理：记录激发时间校正、记录数据清理、频谱分析与滤波、等偏剖面平移叠加，抽取共偏移道集。
剖面处理：共偏移道集动校正，速度分析、震源颤尾清理、反射波形压缩、水底多次波清理、小波道间相关去噪、自动拾取或手工标记反射波组同相轴、时深转换成图。
解释处理：不同记录数据频谱对比，分析反射异常；纵横剖面交点道对比，进行解釋校正、检测闭合差；结合钻探资料进行剖面地质解释。
4 测试成果的解析与验证
勘察期间沿设计轴中线共布置4条测线，本文仅就其中一条测线ZF3进行分析与评价。
如图6所示，ZF3测线地震时间剖面图
图6ZF3测线地震时间剖面图
根据第四纪沉积环境和地层特征，并结合钻孔资料，对地震层位分析认为：T1为海底反射面，反射波组平行连续；T2 为中～微风化基岩， T2以花岗岩为主，地震反射波以强的杂乱反射为主，反射面起伏较大。据图6测线地质时间剖面图，我们基本可描绘出弱微风化基岩埋深剖面图，见图7。
图7：弱、微风化基岩埋深剖面图
为了验证浅层反射地震勘探所推测的弱、微风化基岩埋深的准确性，我们采取工程地质钻探对其解析的成果进行了经一步验证比对。地质钻探主要针对地震物探解析的最深的弱风化岩面加以验证，验证点见图7所示。工程地震钻探显示，该点弱风化基岩埋深标高为-94.2m，与物探解析的-96.1m大致接近。由此可证明，地震物探解析的成果基本可靠。工程地质钻探的岩芯照片见图8。
图8 YZ1强、弱风化界面附近岩芯照片
（注：照片所描述的岩芯深度是以海床面为参照，海床面标高为-12m）
5 浅层地震反射勘探的不足
利用浅层地质反射勘探证明在海域段是比较成功的，但是，其亦有相应的不足之处。例如在本次勘察期间在10万吨级航道附近存在宽度300～500m的水域物探地震测线屏蔽区，经过多次走航，先后采用了1秒震源船、2秒震源船（均调整到最大能量），采用低切100Hz和全通等不同参数，并做了大量的重复观测。在物探屏蔽区最少的重复观测3次，ZF3测线重复观测6次，测线仍未见明显基岩反射波组。
由于该区段为进出厦门港的必经航道，由于航道部门经常性的疏浚，使得海床面以下有厚达20m左右的淤泥，淤泥基本呈流体状态，其对地震反射波能量有极大吸收作用，使得传入地层深部的地震波能量十分有限，使得该地段使用地震反射勘探的效果较差。
6 结论
海域段使用浅层地震反射法勘探是比较成功的。采用PMRflpro 软件，对原始记录进行了滤波、增益等处理，使得勘探成果直观、清晰，获得的资料基本真实可靠。不足之处是遇到软土，如流体状淤泥较厚的情况，淤泥对反射波能力吸收较大，进而难以获得有效明显的基岩反射波阻。
参考文献：
[1]张玉芬. 反射波地震勘探原理的资料解析.地质出版社，2007.7
[2]李澎 王山山. 浅层地震反射方法在工程物探中的应用. 物探化探计算技术. 2004.03.
[3] 徐明才. 提高浅层地震勘探的分辨率. 《国外地质勘探技术》 1989.12 .(12～23)
[4]赵成斌. 浅层地震勘探在工程勘察中的应用.华北地震科学.1998.02
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：浅层地震反射法；海域；工程地质勘察；
Abstract: the shallow seismic reflection method in the field of engineering seismic investigation has been widely used in recent years, especially in the sea area geological survey, due to environmental conditions restriction, seismic geophysical use from cost, efficiency and reliability of data is worthy of recommendation.This paper takes Xiamen and Zhangzhou cross sea passageway engineering as an example, the sea area use seismic reflection method for detecting bedrock relief features, bedrock weathered trough development scales, and the combination of geological drilling to be part of the validation, successfully completed a survey mission.Key words: shallow seismic reflection method; sea area; engineering geological investigation;
中图分类号：U412.22 文献标识码：A文章编号：
1 浅层地震反射法在工程地质勘察领域应用背景
浅层反射地震勘探是地球物理勘探重要方法之一。早在３０年代就已应用于石油和天然气的勘探。但由于受到仪器精度和数字处理技术等因素的限制，直到８０年代初期，反射地震勘探方法才得以应用到工程勘察中来。近１０年来，随着信号增强、浮点放大、数字化地震仪的问世，以及计算技术的迅猛发展，捕捉、提取反射信息的能力大大提高，处理和分析手段也越来越先进和精细。正因为有了这些高新技术的发展，浅层反射地震勘探方法才以其丰富的信息、较高的分辨率，越来越受到广大工程物探人员的青睐。
另外，由于其具有使用费用较低、受环境条件限制较少、沿测线剖面基本连续等特点，在工程地质勘察领域得到了广泛的应用。特别是在海域地段的地质勘察过程中，由于自然环境的限制，采用地质钻探往往存在成本高、风险大、成孔困难等因素。而利用浅层反射地震勘探在划分硬质基岩岩面（本文主要针对划分弱、微风化花岗岩基岩面）、确定花岗岩风化深槽（风化槽的位置、埋深、规模等）、探测隐伏断裂等方面存在较大优势，对于解决初勘阶段的工程地质问题有着较好的指导性作用。
本文以厦门至漳州跨海通道工程地质勘察为例，论述在海域段使用浅层反射地震法来确定基岩岩面起伏情况及风化槽的发育特征。
2 在海域段使用浅层地震反射法应具备的条件
在海域段使用浅层地震反射法来划分基岩岩面起伏情况、确定风化槽的发育特征，应满足以下条件为宜。
2.1 基岩与第四系覆盖层间波速及密度差异明显，两者之间存在明显的波阻抗差异。满足该条件，基岩面可形成较为良好的地震波反射界面。
2.2覆盖层、全强风化带为低阻，弱微风化花岗岩为高阻。
3 走航式高密度地震反射波勘探方法
勘察过程中采用多道（12道）地震反射勘探方法，沿设计线和垂直设计线采用网格式位布置勘测测线。
3.1定位、导航
定位采用华测天骄X90型双频GPS－RTK接收机（见图1）。水平精度为±(10 + 1×10-6×D) mm， 垂直精度±(20 + 1×10-6×D) mm。
工作时GPS基站架设在水边基站，确保GPS-RTK的有效作业距离。GPS移动站放置在工作船上，接收基站差分信号，进行实时差分定位。
图1： 华测天骄X90型双频GPS－RTK基站
导航软件采用华测公司配套的HydroNav2.0导航软件系统（见图2）。定位观测与物探观测同步进行。工作前先将设计坐标输入，施工时设计测线和GPS－RTK接收机测量的实际位置同时显示在屏幕上，根据导航软件显示的船只运行轨迹、航向、航速及船只偏离设计测线的距离等，引导、指挥工作船按设计测线和要求的航速移动，随时按设计测线纠正航向及控制船速。
为精确提供各地层深度资料，避免不同观测时间潮位差所带来的水深差，工作中采用GPS－RTK工作，直接测得水面高程，从而对水域人工浅层地震解释资料进行潮差改正，改正精度为±0.1米。另外海域地段由于潮水水流对地震原始记录有较大的影响，工作选择在高平潮或低平潮时间段内进行物探工作。
图2：HydroNav2.0导航软件系统
3.2走航式高密度地震反射波勘探使用的仪器设备
仪器选用SWS-5型工程勘察与工程检测仪（见图3），该仪器具有瞬时采集功能，能在1.0秒内采集一次地震反射数据，为保证接收信号的真实性，工作中采用通频带接收、连续、自动记录方式。震源采用ZY-2A水上连续冲击震源船，一秒激发一次。接收电缆采用12道专用水上电缆，该检波器具有灵敏度高、分辨率高（接收信号只有一个子波）的特点。
图3：SWS-5型工程勘察与工程检测仪和震源船
3.3走航式高密度地震反射波勘探施工方式
图4：施工示意图
采用拖拉式连续航行和定时激发方式施工，即将震源船挂于工作船旁，接收电缆牵挂在震源船尾部向后延伸（见图7），实行连续航行、定时记录。地震原始记录与测量记录时间相关。
3.4施工前的试验工作
在正式开工前进行了方法试验，根据不同水深、不同软土层厚度、不同基岩埋深等条件下的激发能量、记录长度、采样率、频带宽度、电缆入水深度及最佳炮检距选择等试验，根据试验结果，各项参数选定如下：
3.5地震资料处理
地震资料的处理采用PMRflpro水域走航式高密度地震反射软件，其工作原理为：弹性波从震源向地层中传播遇到波阻抗不同的界面时会产生反射，并遵循反射定律。反射波回到地面所需的时间，与界面的埋深有关，根据反射波的时距曲线，可推求出所需探测界面的深度以及波在介质中传播的速度。
假设在地面下有一倾角φ的倾斜平坦界面，界面以上为均质介质，则其反射波可以看成由虚震源（震源对界面的对称点）出发经反射界面直达接收点M的波，如圖5，反射波时距曲线的表达式为：
图5反射波的时距曲线
PMRflpro水域走航式高密度地震反射软件其处理流程为：
预处理：记录激发时间校正、记录数据清理、频谱分析与滤波、等偏剖面平移叠加，抽取共偏移道集。
剖面处理：共偏移道集动校正，速度分析、震源颤尾清理、反射波形压缩、水底多次波清理、小波道间相关去噪、自动拾取或手工标记反射波组同相轴、时深转换成图。
解释处理：不同记录数据频谱对比，分析反射异常；纵横剖面交点道对比，进行解釋校正、检测闭合差；结合钻探资料进行剖面地质解释。
4 测试成果的解析与验证
勘察期间沿设计轴中线共布置4条测线，本文仅就其中一条测线ZF3进行分析与评价。
如图6所示，ZF3测线地震时间剖面图
图6ZF3测线地震时间剖面图
根据第四纪沉积环境和地层特征，并结合钻孔资料，对地震层位分析认为：T1为海底反射面，反射波组平行连续；T2 为中～微风化基岩， T2以花岗岩为主，地震反射波以强的杂乱反射为主，反射面起伏较大。据图6测线地质时间剖面图，我们基本可描绘出弱微风化基岩埋深剖面图，见图7。
图7：弱、微风化基岩埋深剖面图
为了验证浅层反射地震勘探所推测的弱、微风化基岩埋深的准确性，我们采取工程地质钻探对其解析的成果进行了经一步验证比对。地质钻探主要针对地震物探解析的最深的弱风化岩面加以验证，验证点见图7所示。工程地震钻探显示，该点弱风化基岩埋深标高为-94.2m，与物探解析的-96.1m大致接近。由此可证明，地震物探解析的成果基本可靠。工程地质钻探的岩芯照片见图8。
图8 YZ1强、弱风化界面附近岩芯照片
（注：照片所描述的岩芯深度是以海床面为参照，海床面标高为-12m）
5 浅层地震反射勘探的不足
利用浅层地质反射勘探证明在海域段是比较成功的，但是，其亦有相应的不足之处。例如在本次勘察期间在10万吨级航道附近存在宽度300～500m的水域物探地震测线屏蔽区，经过多次走航，先后采用了1秒震源船、2秒震源船（均调整到最大能量），采用低切100Hz和全通等不同参数，并做了大量的重复观测。在物探屏蔽区最少的重复观测3次，ZF3测线重复观测6次，测线仍未见明显基岩反射波组。
由于该区段为进出厦门港的必经航道，由于航道部门经常性的疏浚，使得海床面以下有厚达20m左右的淤泥，淤泥基本呈流体状态，其对地震反射波能量有极大吸收作用，使得传入地层深部的地震波能量十分有限，使得该地段使用地震反射勘探的效果较差。
6 结论
海域段使用浅层地震反射法勘探是比较成功的。采用PMRflpro 软件，对原始记录进行了滤波、增益等处理，使得勘探成果直观、清晰，获得的资料基本真实可靠。不足之处是遇到软土，如流体状淤泥较厚的情况，淤泥对反射波能力吸收较大，进而难以获得有效明显的基岩反射波阻。
参考文献：
[1]张玉芬. 反射波地震勘探原理的资料解析.地质出版社，2007.7
[2]李澎 王山山. 浅层地震反射方法在工程物探中的应用. 物探化探计算技术. 2004.03.
[3] 徐明才. 提高浅层地震勘探的分辨率. 《国外地质勘探技术》 1989.12 .(12～23)
[4]赵成斌. 浅层地震勘探在工程勘察中的应用.华北地震科学.1998.02
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。