超淺層三維地震勘探技術(shù)在復(fù)雜地區(qū)隧道勘探中的應(yīng)用

超淺層三維地震勘探技術(shù)在復(fù)雜地區(qū)隧道勘探中的應(yīng)用

地球物理勘探技術(shù)在調(diào)查不良地質(zhì)特征的分布，如地形分布、厚度、斷裂帶分布、規(guī)模和洞穴等方面發(fā)揮了重要作用，成為工程勘察中常見的一種技術(shù)手段。為了提高超淺層三維地震數(shù)據(jù)采集效率,美國堪薩斯大學(xué)DonSteeple帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在超淺層三維地震高效率采集方法研究方面作了大量工作,提出了Autojuggie采集技術(shù),較好的滿足了工程領(lǐng)域?qū)θS地震施工效率高的要求1試驗(yàn)工區(qū)地表的選擇和應(yīng)用試驗(yàn)工區(qū)位于上海市某公路上,試驗(yàn)區(qū)塊范圍如圖1實(shí)線框所示,寬12m,長24m.有一條東西方向的地鐵隧道從該路段下面橫穿而過,圖1中部東西方向2條虛線所示為地鐵隧道的邊界,試驗(yàn)?zāi)康闹痪褪抢贸瑴\層三維地震勘探技術(shù)對隧道的分布情況進(jìn)行刻畫和識(shí)別.根據(jù)以往的鉆探結(jié)果,上海市區(qū)的近地表低速層主要由粉質(zhì)黏土組成,厚度在3~5m,地震波速度為800~1000m/s.低速層下面是降速層,主要是夾薄層粉砂淤泥質(zhì)黏土,地震波速度范圍為1300~1500m/s,降速層的厚度為10m左右.降速層下面是高速層,主要由淤泥質(zhì)黏土組成,厚度為10~40m,地震波速度為2000~2200m/s.另外一個(gè)試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)超淺層三維地震勘探技術(shù)對低速層底界面、降速層底界面等超淺層地層界面的探測能力.所選擇的試驗(yàn)工區(qū)地表是堅(jiān)硬的瀝青路面,不利于檢波器與地表的良好耦合.試驗(yàn)工區(qū)附近車輛較多,給地震采集施工帶來了困難,同時(shí)也帶來一定的噪聲干擾.總體上該試驗(yàn)工區(qū)能夠代表城市復(fù)雜的環(huán)境條件,是一個(gè)比較理想的試驗(yàn)場地.2試驗(yàn)區(qū)塊的數(shù)據(jù)處理三維地震勘探往往需要布置大量檢波器,因此施工效率較低,花費(fèi)較高.為了提高超淺層三維地震數(shù)據(jù)采集的效率,本文設(shè)計(jì)了密集炮點(diǎn)的三維地震采集排列片(見圖2),其中,小方形表示檢波點(diǎn),小圓圈表示炮點(diǎn).這種觀測方式在保證不降低覆蓋次數(shù)的前提下,能夠減少了檢波器排列片的滾動(dòng)次數(shù),較大程度地減少了布置檢波器的工作量,從而提高了施工效率、降低了采集成本.如圖2所示的接收參數(shù)包括6條相互平行的檢波線,相鄰檢波線的距離為1m,每條檢波線上有48個(gè)檢波點(diǎn),相鄰檢波點(diǎn)的距離為0.5m;激發(fā)參數(shù)包括24條相互平行的炮線,炮線與檢波線垂直,相鄰炮線的距離為1m,每條炮線上5個(gè)炮點(diǎn),相鄰炮點(diǎn)的距離為1m.當(dāng)數(shù)據(jù)采集施工時(shí),檢波線方向與公路平行.首先在6條檢波線288個(gè)檢波點(diǎn)上布置檢波器,每個(gè)檢波點(diǎn)上1個(gè)動(dòng)圈式檢波器,檢波器的自然頻率為28Hz,阻尼系數(shù)為60%,利用石膏將檢波器與地表黏連.然后,按照圖2所示的炮點(diǎn)位置,利用錘擊震源進(jìn)行地震波的激發(fā),在每個(gè)炮點(diǎn)垂直疊加3次,錘擊震源為6kg的鐵錘.地震數(shù)據(jù)的采樣間隔為0.5ms,每一道的記錄長度為256ms.所使用的地震儀為分布式多道地震儀,每一炮的288道地震記錄可以同時(shí)被記錄下來,并被記錄成SEG-2格式.完成一個(gè)排列片所有炮點(diǎn)位置地震波的激發(fā)后,將排列片沿著炮線方向(橫向)滾動(dòng)4m,按照相同的方式布置檢波器和激發(fā)地震波,即可完成試驗(yàn)區(qū)塊地震數(shù)據(jù)的采集.這樣的滾動(dòng)采集方式可以在施工過程中留下半個(gè)路面讓車輛等通過,減小了對城市交通的影響.如圖3(a)所示為采集的原始記錄,其中利用omega地震數(shù)據(jù)處理軟件對超淺層三維地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.將SEG2格式的地震數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SEGY格式,把SEGY格式的地震數(shù)據(jù)輸入到地震數(shù)據(jù)處理軟件,進(jìn)行觀測系統(tǒng)定義和加載.為了將低頻面波和高頻噪聲濾掉,首先進(jìn)行了帶通濾波處理,帶通濾波的參數(shù)設(shè)計(jì)為30-40-200-220Hz,濾波后的記錄如圖3(c)所示.從圖3(c)中可以看出,甚低頻的面波和一些高頻噪聲得到了較好的壓制,但是仍存在頻率稍高的面波干擾.不過,這些干擾可以利用FX域線性噪聲壓制技術(shù)去除,圖3(d)為去除了這些線性干擾后的記錄.從圖3(d)可以看到地震記錄的信噪比較大程度得到了提高,某些淺層反射(如5~10、15~20ms等)已經(jīng)能夠明顯的識(shí)別出來.經(jīng)過帶通濾波、FX線性去噪之后,利用球面擴(kuò)散補(bǔ)償處理對地震記錄的能量進(jìn)行了補(bǔ)償,以消除地震波球面擴(kuò)散對能量的影響.之后,進(jìn)行了3D地震地表一致性振幅補(bǔ)償處理,以消除不同激發(fā)點(diǎn)引起的激發(fā)子波能量的差異.在振幅補(bǔ)償處理以后,利用3D地表一致性反褶積方法,消除了由于炮點(diǎn)耦合、檢波器耦合差異等對地震子波頻率的影響.之后,為了進(jìn)一步提高地震數(shù)據(jù)的分辨率,對炮集數(shù)據(jù)還進(jìn)行了預(yù)測反褶積處理,預(yù)測步長為12ms,算子長度為20ms.反褶積前后的地震單炮記錄及其頻譜如圖4所示.從圖4中可以看出,反褶積處理拓寬了地震數(shù)據(jù)的頻帶寬度,提高了地震資料的分辨率.最后,抽取了CMP道集數(shù)據(jù),并進(jìn)行了速度分析和疊加,如圖5所示為速度譜和相應(yīng)的道集數(shù)據(jù).其中圖5(a)為速度譜及速度拾取情況,其中由于試驗(yàn)區(qū)塊在非常平坦的公路上,所以不存在地表起伏影響問題,沒有進(jìn)行靜校正和剩余靜校正處理.超淺層地震數(shù)據(jù)的高精度速度模型建立較為困難,使得偏移效果不理想,而且本次試驗(yàn)區(qū)域面積很小,地下地層界面較為平坦,因此本文對地震數(shù)據(jù)未進(jìn)行偏移處理.這套超淺層三維地震數(shù)據(jù)的處理流程如圖6所示.最終處理的疊加剖面如圖7所示,橫坐標(biāo)為CDP號(hào),從圖7中可以看出,在5~10和15~20ms有2個(gè)反射同相軸,根據(jù)該試驗(yàn)區(qū)塊的地質(zhì)資料分析,應(yīng)該分別對應(yīng)粉質(zhì)黏土層底界面、夾薄層粉砂淤泥質(zhì)黏土層底界面的反射,即低速帶底界面和降速帶底界面的反射.受地下隧道影響,低速層底界面的反射在中間部分?jǐn)嚅_,而且在隧道邊界存在地震波繞射現(xiàn)象.在隧道區(qū)域,反射時(shí)間10ms附近有一段持續(xù)時(shí)間較短的反射波,推測是隧道頂板底界面引起.40ms附近的反射是降速帶底界面處產(chǎn)生的多次波,這由前文速度分析圖也可以看出.50~60ms之間的反射波應(yīng)該是降速層和高速層之間的界面引起的,由于該反射層較深,地震波高頻成分衰減嚴(yán)重,使得該反射波頻率較低,能量有所減弱.3低頻層底界面地震反射波分布利用三維可視化軟件Geoprobe對試驗(yàn)所獲得的超淺層三維地震疊加數(shù)據(jù)體進(jìn)行了解釋和分析.如圖8所示為三維可視化解釋結(jié)果圖,其中黑色代表正振幅,白色代表負(fù)振幅.圖8(a)為超淺層三維地震數(shù)據(jù)體,從中可以看出,15~20ms有一比較強(qiáng)的反射,應(yīng)該對應(yīng)夾薄層粉砂淤泥質(zhì)黏土層底界面,5~10ms附近有一弱反射,應(yīng)該對應(yīng)粉砂質(zhì)黏土層的底界面,即低速層底界面.由于地鐵隧道的影響,低速層底界面的地震反射軸在地鐵隧道區(qū)域發(fā)生了錯(cuò)斷,據(jù)此可以追蹤隧道的位置.圖8(b)~(d)為反射時(shí)間為5、10、19ms時(shí)的反射振幅強(qiáng)弱的平面分布情況,其中5ms是低速層底界面的反射時(shí)間、10ms是隧道頂板底界面的反射時(shí)間、19ms是降速層底界面的反射時(shí)間.從圖8(b)中可以看出,低速層底界面的反射在整個(gè)平面上并不都是正振幅,中部位置附近有一塊白色區(qū)域,推測是隧道切斷了低速層底界面造成反射波缺失的緣故.從圖8(c)中可以看出,10ms處的反射波有一段正振幅區(qū)域,推測是隧道頂板底界面的反射.綜合圖8(b)和8(c)來看,由兩圖推測的隧道區(qū)域平面位置是一致的,都位于中部位置,與隧道的實(shí)際位置基本吻合,表明上述推測是合理的.從圖8(d)中可以看出,降速層底界面的反射波在整個(gè)平面上都是正振幅,表明該層反射波連續(xù)性較好,在試驗(yàn)區(qū)塊該地層界面比較平坦.4超淺層地震數(shù)據(jù)處理(1)對超淺層三維地震勘探數(shù)據(jù)采集來說,較高的施工效率才能夠減少成本,滿足工程勘察的需要.從試驗(yàn)應(yīng)用效果來看,本文采用的密集炮點(diǎn)的不規(guī)則觀測系統(tǒng)是一種效率較高的施工方法,能夠滿足超淺層三維地震勘探需要.(2)由于工程勘察地質(zhì)目標(biāo)體較小,且埋藏較淺,較小的面元才能滿足勘探對地震橫向分辨率的要求,因此需要設(shè)計(jì)很小的道距和炮點(diǎn)距,以及很小的檢波線距和炮線距.(3)超淺層三維地震數(shù)據(jù)的反射波往往淹沒在強(qiáng)干擾之中,良好的疊前去噪技術(shù)是做好超淺層三維地震數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵.從本次試驗(yàn)所獲得的結(jié)果來看,超淺層3D地震干擾波具有線性特征,FX域線性壓制技術(shù)能有效去除這種干擾.(4)本次應(yīng)用結(jié)果表明,利用超淺層三維地震勘探技術(shù)可以有效探測反射在50ms以內(nèi)的地層界面,而且對超淺層空洞等不良地質(zhì)體也能進(jìn)行有效探測.(5)選擇地表有起伏的試驗(yàn)地點(diǎn),進(jìn)行進(jìn)一步的應(yīng)用試驗(yàn),以研究超淺層三維地震數(shù)據(jù)的靜校正方法,是需要深入研究的問題.(6)從疊加剖面可以看到,