西安地裂缝人工地震反射波勘探覆盖次数
引用本文
程耀, 隋成兴, 杨龙伟, 巨朝晖, 李忠生. 西安地裂缝人工地震反射波勘探覆盖次数[J]. 物探与化探, 2015,39(1): 166-171.
CHENG Yao, SUI Cheng-Xing, YANG Long-Wei, JU Zhao-Hui, LI Zhong-Sheng. The folds in seismic reflection exploration for Xi'an ground fissure investigation[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(1): 166-171.
Doi:10.11720/wtyht.2015.1.27CHENG Yao, SUI Cheng-Xing, YANG Long-Wei, JU Zhao-Hui, LI Zhong-Sheng. The folds in seismic reflection exploration for Xi'an ground fissure investigation[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(1): 166-171.
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西安地裂缝人工地震反射波勘探覆盖次数
作者简介: 程耀(1989-),男,汉族,陕西宝鸡人,在读硕士。
摘要
在西安地裂缝勘察中,人工地震反射波勘探的覆盖次数越高,叠加剖面信噪比越高,但同时也增加了施工难度,提高了勘探成本。为了研究不同覆盖次数在西安地裂缝地震勘探中勘探效果,笔者通过三个场地地裂缝地震勘探资料的处理分析,采用抽稀炮点方法得出不同覆盖次数的叠加剖面,对比分析了不同剖面的勘探效果,结合验证的钻孔资料,总结了不同覆盖次数的勘探效果,认为在原始记录信噪比较高的情况下,12次反射波覆盖能明显确定地裂缝异常,最低覆盖次数不要低于6次。
关键词:
覆盖次数; 人工地震勘探; 西安地裂缝; 反射波
中图分类号:P631.4
文献标志码:A
文章编号:1000-8918(2015)01-0166-06
The folds in seismic reflection exploration for Xi'an ground fissure investigation
Abstract
In the investigation of Xi'an ground fissures,the higher the fold of seismic reflection exploration,the higher the signal-to-noise ratio profile is obtained.Nevertheless,it also increases the difficulty of field work and raises the exploration cost.In order to study the effect of different folds in Xi'an ground fissure seismic exploration,the authors chose seismic reflection data in three different sites as examples for analysis.These seismic data were processed in different stacking folds via the method for reducing shot points.The stacking profiles with different folds were compared with each other to extract exploration effect in combination with validated borehole information.It is believed that,if original field records have high signal-to-noise ratios,12 reflection folds can significantly determine the ground fissure anomalies,with 6 reflection folds being the minimum.
Keyword:
fold; artificial seismic exploration; Xi'an ground fissures; reflected wave
地裂缝是一种特殊的城市地质灾害, 因其巨大的破坏力而闻名。在隐伏地裂缝的勘探中, 人工地震勘探因其分辨率高、可靠性强等优点成为地裂缝勘探的首选, 也是“ 西安地裂缝场地勘察与工程设计规程” 中唯一认可的地球物理勘探手段[1]。在“ 规程” 中, 提出了人工地震反射波勘探的野外数据采集覆盖次数不宜少于24次。目前的场地隐伏地裂缝勘探中, 因种种客观因素, 较难达到24次覆盖要求, 但也取得了较好的勘探效果。结合多个场地的西安地裂缝人工地震反射波勘探实际资料, 对反射波覆盖次数与勘探效果进行探讨分析, 希望在保证勘探效果的前提下确定合适的反射波覆盖次数。
1 西安地裂缝性质及人工地震反射波勘探
自20世纪70年代西安大规模发生地裂缝灾害以来, 政府相关部门和科研院所对西安地裂缝进行了深入研究。现已查明, 西安地裂缝是临潼— 长安断裂带西北盘(上盘)一组北东走向、倾向东南, 呈正断性质的低序次断裂, 在过量抽取地下深层承压水引起大面积地面沉降的情况下, 这些断裂两侧出现差异沉降, 造成地表开裂, 从而形成地裂缝灾害。研究成果表明, 这些引发西安地裂缝的断裂具有同生断层性质, 即断裂处地层愈深, 断距愈大[2, 3]。正是由于西安地裂缝具有同生断层性质, 才使得地球物理勘探, 特别是人工地震勘探技术具有准确查明隐伏地裂缝的可行性。
人工地震反射波勘探技术于20世纪80年代应用于西安地裂缝研究中[4], 并因其勘探准确, 受地表物质干扰小, 能够给出各种断裂参数, 特别是能够查明地下主、次缝关系而倍受青睐, 并成为被地方相关规程认可的唯一物探方法[1]。勘察隐伏地裂缝时, 在场地附近地裂缝研究程度低、资料少的情况下, 一般都将人工地震勘探作为前期定性手段。在野外地震数据采集中, 早期震源多使用炸药, 勘探深度300~500 m, 接收道间距3~5 m, 采用24道接收[5]。2000年以后, 随着使用炸药的管理愈加严格, 石油勘探中的震源车逐渐应用到西安地裂缝勘探中, 震源车因其激发能量强、垂直叠加方便、抗随机干扰能力强等优点, 在城市人工地震勘探中发挥着越来越重要的作用。这些地裂缝人工地震勘探均采用反射波法, 道间距一般3~5 m, 叠加次数6~24次, 以6~12次居多, 采集道多为48~60道接收。如彭建兵等在进行西安地裂缝研究中完成了约85 km的人工地震勘探, 道间距3~5 m, 覆盖次数6~12次, 取得了不错的勘探结果[6]; 在西安地铁地裂缝研究中, 人工地震勘探也得到了广泛应用, 共完成约50 km的勘探测线, 道间距3 m, 覆盖次数24次, 勘探结果与后期钻探结果吻合良好[7, 8, 9]。
在这些地裂缝人工地震勘探中, 观测系统中的覆盖次数是一个关键参数, 覆盖次数高则勘探质量高, 但工作费用高, 效率低。如何找到覆盖次数与勘探质量的平衡点是每次人工地震勘探前必须解决的难题。笔者依托一些工程的西安地裂缝人工地震勘探实例, 在西安西南郊进行了不低于24次覆盖反射波勘探, 在此基础上, 对反射波覆盖次数与勘探效果的关系进行分析探讨。
2 覆盖次数与叠加效果分析
人工地震勘探场地均位于西安市西南郊, 其位置关系如图1, 三个勘探场地均处于地裂缝研究空白区, 地表未发现任何地裂缝出露迹象, 因此将人工地震勘探作为区域隐伏地裂缝勘察的前期手段, 然后在人工地震勘探结果的基础上进行下一步的工程地质钻探验证。下面逐一对不同场地、不同震源类型、不同接收仪器的地震勘探资料进行分析, 探讨反射波覆盖次数与叠加效果的关系。
2.1 乳驾庄f8地裂缝
该场地位于长安区郭杜镇乳驾庄(现已拆迁)西北侧农田中, 目前的西部大道与上林苑一路十字路附近(图1)。场地地貌属皂河和沣河一级、二级洪积台地, 地形整体上平缓开阔, 局部略有起伏, 地下水15~18 m。野外采集所用震源为铵梯炸药, 药量300~450 g, 炮孔采用洛阳铲成型, 深度约2 m, 农田附近基本没有干扰。
 | 图1 人工地震勘探场地位置 |
仪器采用骄鹏公司48道GEOPEN-SE2432E工程地震仪, 接收检波器为单个28 Hz。道间距3 m, 偏移距90~120 m, 48道接收, 单边放炮, 炮间距3 m, 24次覆盖。从图2a的单炮原始记录上可以看出, 双程反射时间100~700 ms内有多组清晰的反射波震相。根据西安地区地质资料, 场地附近第四系厚度1 000~1 200 m, 地表100 m深度内为冲洪积地层, 岩性为砂土互层, 100 m至第四系底部以湖积相为主, 岩性为砂土互层[6]。根据砂、土的密度及地震波速度, 地层中砂与土的波阻抗差异不大, 因此, 人工地震勘探中的反射波震相不代表某个特定的地层分界面, 而是一定厚度内砂土互层中地震波干涉叠加所致的复合波。
对上述观测系统采集到的外业资料进行反射波资料处理, 主要流程为:数据输入→ 能量均衡→ 一维滤波→ 二维滤波→ 速度分析→ 动校正→ 叠加→ 修饰性处理。由于原始资料信噪比高, 经简单预处理后反射波震相清晰突出(图2b)。
 | 图2 乳驾庄f8地裂缝预处理前后单炮记录对比 a— 原始单炮记录; b— 简单预处理后单炮记录 |
经处理得到的地震反射波水平叠加剖面如图3a所示, 从图中可以看出, 整个剖面反射波震相丰富且连续清晰, 图中存在一明显断裂异常, 该异常两侧的地层连续性好, 该异常推测为西安地裂缝f8。在人工地震勘探的基础上, 布置了钻探工作, 其地质剖面如图4所示, 在地下12 m深处的古土壤标志层(图4中①)被错断1.6 m[10], 地震勘探异常与钻探结果吻合良好。
为了分析覆盖次数与叠加效果的关系, 在24次反射波覆盖的基础上, 试验逐渐降低覆盖次数至18次、12次、6次。覆盖次数的降低, 可通过保持激发点不变抽稀接收道或保持接收道不变抽稀炮点两种方法实现。考虑到西安地裂缝勘探多为场地工程, 使用的地震仪器以48道工程地震仪居多, 故在满足野外观测系统要求的前提下, 通过抽稀炮点的方式, 实现观测系统覆盖次数的降低。如原观测系统采用3 m道间距, 48道接收, 单边放炮, 3 m炮间距, 24次覆盖, 现在通过每2炮抽出1炮记录组成新的数据体, 则道间距、接收道数等都不变, 仅仅是炮间距由3 m变为6 m, 最终的叠加剖面中的CMP道距仍为1.5 m, 与24次覆盖相同。
 | 图3 乳驾庄f8地裂缝不同覆盖次数反射波水平叠加剖面 a— 24次覆盖叠加剖面; b— 18次覆盖叠加剖面; c— 12次覆盖叠加剖面; d— 6次覆盖叠加剖面 |
 | 图4 f8地裂缝钻探剖面 |
分析这些叠加剖面图可以看出, 从6次覆盖到24次覆盖, 地裂缝异常在剖面中均有明显反映, 但仔细辨认可以发现, 12次覆盖以上的剖面相差不明显, 特别是18次与24次基本看不出差异; 相比之下, 6次覆盖地层连续性较差, 虽然能分辨出地裂缝异常, 但异常两侧地层的连续性要比12次以上覆盖的剖面逊色较多, 有效波能量不足以完全压制干扰波, 显出其覆盖次数偏低。
2.2 丈八八路f8地裂缝
该场地位于丈八八路(图1), 测线沿丈八八路布设, 路面平直, 公路过往车辆较少。丈八八路地貌属皂河和沣河一级、二级洪积台地, 地势平坦, 地层自上而下为第四系全新统、更新统冲洪积粉质黏土夹砂层透镜体, 第四系厚度约1 000 m, 地下水位12~15 m。
地震勘探使用的数据采集仪器为SUMMIT 遥测数字地震仪, 仪器采集参数根据现场试验结果确定为道间距3 m, 240道接收, 炮间距12 m, 30次覆盖。采用中间不对称激发方式, 检波器采用60 Hz主频, 4个一组的组合形式。根据测区周边环境条件及设计要求, 激发源采用M18/612型18 t可控震源, 可通过对采集信号的相关处理最大限度地压制路面过往车辆干扰, 提高资料信噪比。震源工作方式和激发参数根据现场试验确定, 每个激发点实施8~12次的垂直叠加, 得到良好的单炮记录(图5)。从图5可以看出, 双程反射时间50~900 ms内有多组清晰的反射波震相, 整个记录信噪比较高。
对上述采集到的野外采集数据进行反射波资料处理, 为了便于与其他资料的对比分析, 将近炮点部分接收道剔除, 降低覆盖次数至24次, 其他处理流程及降低覆盖次数的方法均与2.1节相同, 得到不同覆盖次数的反射波水平叠加剖面(图6)。
在图6的叠加剖面图中, 存在一明显的南倾断裂异常, 推测为f8地裂缝。与2.1节中的不同覆盖次数叠加剖面类似, 该地裂缝异常在6次覆盖到24次覆盖的剖面中均明显存在, 但12次覆盖以上的剖面中地裂缝异常更清晰, 且18次与24次覆盖剖面基本无明显差别; 相比之下, 6次覆盖地层连续性较差, 虽地裂缝异常明显, 但异常两侧地层的连续性弱于12次以上覆盖的剖面, 有效波能量偏弱。
 | 图5 丈八八路f8地裂缝原始单炮记录 |
后经钻探验证, 近地表约12 m深处古土壤标志层错断2.17 m, 地震勘探异常与钻探结果吻合良好[7]。
 | 图6 丈八八路f8地裂缝不同覆盖次数反射波水平叠加剖面 a— 24次覆盖叠加剖面; b— 18次覆盖叠加剖面; c— 12次覆盖叠加剖面; d— 6次覆盖叠加剖面 |
2.3 西太路地裂缝
该场地位于西太路(图1), 测线沿西太路布设, 路面平直, 由于西太路为进出市区的一条主要干道, 车流量大, 其中一些重型卡车的通过对数据采集有一定的影响。西太路测线段地貌及地质条件与丈八八路相同, 地势平坦, 地下水位8~10 m。
该测线设计覆盖次数为24次, 除此之外所用仪器设备、采集参数、资料处理流程等都与丈八八路测线相同。单炮资料也与丈八八路测线一样, 反射波震相丰富、清晰、连续, 信噪比高。图7为处理后得到的不同覆盖次数的反射波水平叠加剖面。
图7中, 有一处明显的南倾断裂异常, 推测为地裂缝。与2.1节中的不同覆盖次数叠加剖面相同, 该地裂缝异常在6次覆盖到24次覆盖的剖面中均明显存在。各不同覆盖次数剖面中地裂缝异常及异常两侧地层连续性与丈八八路测线类似, 12次以上覆盖剖面质量明显优于6次覆盖剖面。
该剖面解释的地裂缝在后期的钻探工作中得到验证。钻探剖面显示, 地表下10 m深处古土壤标志层错断2.82 m, 地震勘探异常与钻探结果吻合良好[7]。
 | 图7 西太路地裂缝不同覆盖次数反射波水平叠加剖面 a— 24次覆盖叠加剖面; b— 18次覆盖叠加剖面; c— 12次覆盖叠加剖面; d— 6次覆盖叠加剖面 |
3 结论及建议
通过以上三个场地地裂缝地震勘探资料的解释及对比分析, 认为西安地裂缝人工地震反射波勘探中, 在原始记录信噪比较高的情况下, 12~24次覆盖可清晰判定地裂缝异常, 异常两侧地层连续性好; 6次覆盖虽能确定地裂缝异常, 但剖面信噪比较低。建议结合工程实际情况, 将反射波覆盖次数最好设计为12次, 最低不要低于6次。
(1) 反射波叠加剖面的信噪比随着覆盖次数的增加而提高, 当覆盖次数为12~24次时, 各叠加剖面质量较高, 相互间差异不明显。
(2) 当覆盖次数达到12次以上时, 剖面上地裂缝异常清晰明显, 异常两侧地层连续性好, 地震勘探异常与钻探结果吻合。
(3) 与12次及以上覆盖的剖面相比, 6次覆盖剖面虽能确定地裂缝异常, 但异常现象较弱, 异常两侧地层连续性较差, 剖面信噪比较低, 应为地裂缝反射波勘探的最低覆盖次数。
(4) 在场地内地裂缝附近进行建(构)筑物的设计与施工时, 应按“ 西安地裂缝场地勘察与工程设计规程” (DBJ 61-6-2006)的相关规定进行避让或处理。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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