地表淺層地震法探測技術研究

關仲波

（中國石油集團東方地球物理公司大慶物探一公司，黑龍江大慶163357）

隨著我國城鎮化進程不斷推進，城市對地下空間的利用需求持續升高，而城市地表淺層地質構造的勘測成為地下空間利用的重要環節。城市內的自然地質環境對地質探測方法提出一定的要求，而且各種復雜的人為因素也加大了地質探測技術的難度。由于城市內存在各種類型的電磁波，同時建筑物內包含錯綜復雜的鋼筋混凝土結構，電磁探測技術、電法探測技術等傳統的地質探測方法均會受到干擾而無法使用。淺層地震探測技術可重構出地層下的地質構造圖像，獲取巖土物理參數和相關的地震波參數，不需要鉆孔破壞地表結構，同時具備較高的探測效率和精度，適用于環境復雜的城市地區[1-2]。

1 淺層地震基本原理

淺層地震探測技術依靠人為干預產生地震波并分析其在地下儲層中的傳播過程，依照地震波頻率、相位、振幅等特征參數的變化特點來計算預測地表淺層的具體結構，同時可對地下巖芯、土質的相關參數進行測量確定。

淺層地震探測技術通過人為方式在地表的某一個位置激勵主動產生地震波，根據不同的地質構造，兩種不同構造的分界面存在阻抗差異，當地震波傳播至分界面時被反射回地震波激勵點并產生振動。通過測量地震波在地層中的傳播速度、發射反射所經歷的時間和各個探測點的相對位置可計算得到分界面的地層深度、傾斜角度等具體數據。假設分界面的地層深度為h，地震反射波傳播所經歷的時間如式（1）所示。

式中：tf——縱波反射傳播所經歷的時間，s；

v0——地震波在地層中的傳播速度，m/s；

x——震源和探測點之間的距離，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歷的時間，s。

假設分界面的傾斜角度為θ，則地震反射波傳播所經歷的時間如式（2）所示。

2 淺層地震探測技術研究現狀

淺層地震探測技術集中應用在利用地表淺層地下空間的城市區域，探測數據可作為城市的土地發展規劃、建筑施工的基礎依據。根據地震波的種類，淺層地震探測技術主要分為面波、S波和P波等類型。淺層地震探測技術剛開始發展時通常使用P波進行測量計算，較少使用S波進行勘探。由于面波可較好地規避P波所存在的技術缺陷，在勘探領域應用越來越廣泛。隨著地震拖纜技術的出現，S波地震探測技術開始具備較強的實用性，在現場實踐中才出現大規模的應用。

在地表深層的含水區域通常采用P波反射方式進行地下結構的數據探測與圖像重構，而對于地層中地質構造特征通常采用P波折射方式揭示。地表淺層地震探測通常采用P波的折射方式，P波主要在水平方向上傳輸移動，但是在地表淺層巖土結構中水平方向上地層特性不斷變化，導致P波在淺層地質構造探測過程中會出現成像分辨率過低的現象。為了解決此問題，專家學者通過全波形反演、約束算法等技術對P波的速度模型進行改進，但未達到預期效果。

由于P波存在上述技術缺陷，20世紀八九十年代利用反向推演瑞雷波的方法計算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更新，逐漸發展變成地表淺層構造探測的基礎技術方法，并且存在較大的發展空間。在實際測量中，通過獲得瑞雷波的相關參數，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據，而且面波法獲取的基礎數據能夠作為地層圖像重構和結構特征表述的依據，對于技術人員全面掌握地質構造信息具有重要幫助。對于傳統的地震探測技術，一般盡量減弱外部環境所產生的干擾波，但是對于新型地震探測技術，對干擾波進行收集并提取其中的有效信息，將這些數據作為探測的輔助信息。其中，將城市內產生的噪聲作為激勵信號發出地震波而獲取相關信息成為目前研究的一個發展方向。

在過去的幾十年中，專家學者對S波的研究較為分散，沒有形成整體的理論體系，且研究成果沒有達到較好的預期效果[3-4]。S波之所以沒有得到廣泛應用，主要原因是S波獲取的數據質量無法得到有效的控制，技術人員也沒有掌握探測經驗。與P波相比，S波無法達到較深的深度，但是其在地表淺層巖土結構中的傳播速度較低，有助于提高速度圖像的成像分辨率，可探測地表淺層構造的具體細節。近些年隨著地震拖纜技術的應用，S波探測技術也隨之開始逐漸發展，得到越來越多學者的關注，在現場實踐中獲得更廣泛的應用。

3 淺層地震探測技術最新進展

在淺層地震探測過程中，通過探測設備可獲取大量的測試數據，然后通過相關的分析系統對測試數據進行整合處理，最后根據現場的實際情況對數據信息進行解釋。近些年來，淺層地震探測技術的研究進展主要體現在探測裝置、數據采集與處理、數據解釋等方面[5-8]。

3.1 探測裝置

在最近幾年，陸地拖纜技術逐步發展成熟，并有效的改善了S波探測的局限性，促使S波在實際探測中的應用開始變得越來越廣泛[9]。在20世紀70年代，學者就開始對陸地拖纜技術進行研究應用，但是現場應用并未取得良好效果，導致研究開始停滯。在20世紀90年代，城市建設的進程不斷加快，道路多采用瀝青或者水泥材質進行鋪設。傳統的探測技術采用發射接收勒夫波或者P波確定地質構造的原理，瀝青、水泥這種硬質路面會對這兩種波的傳輸造成阻礙或削減，而經過陸地拖纜改善后的探測技術可有效避免此問題，地震波不會受到硬質路面的影響，對于城市探測具有良好的適用性。從1995年開始，Inazaki公司共研發了5種不同種類的陸地拖纜裝置，美國企業Bay Geophysical對其原理及特點進行分析，并提出了裝置缺陷的解決方案。同時，LIAG機構、Ramboll公司、PFM公司、Montana公司、COWI公司等均對陸地拖纜設備的原理結構進行了研究設計，并完成了現場應用。

3.2 數據采集技術

傳統的地震探測技術中需要在地面鋪設大量電纜傳輸探測的地震波數據，不僅增大了探測成本，而且耗費人力物力，對地面交通等產生影響。數據無線傳輸技術節省了電纜鋪設所產生的一次性投資，提高了數據采集的效率和便捷性。GEO SPACE公司研發的GSX數據無線傳輸系統占據了一定的市場份額，受到廣大用戶的一致認可。Wireless Seismic公司研發的RT System 2數據無線傳輸系統更新了網絡傳輸的方式，在根本上實現了技術的重大突破進展，增加了數據傳輸通道的數量。

在傳統探測技術中，地震波信號是通過線性掃描的方法進行數據采集的，而在數據采集過程中掃描頻率與環境建造物的固有共振頻率相近，使建造物發生大幅振動而被損壞。為解決共振問題，專家學者對偽隨機掃描進行改進優化，成功降低了共振發生的概率，在一定程度上避免了共振所造成的建造物損壞。

為了提高數據采集效率，解決地震數據龐大難于傳輸的問題，壓縮傳感技術在地震數據采集傳輸方面受到相關人員的關注，應用越來越廣泛。壓縮傳感技術在數據采集領域取得了革命性的突破，與傳統采集方法不同，它基于非適應線性投影方法避免原始數據被破壞，以極低的頻率進行數據采集并通過更準確的算法重構得到原始信號。

3.3 數據處理方法

外部環境的影響因素錯綜復雜，導致地震探測存在諸多的不確定性，同時對地震數據處理計算會得到不同的分析結果。為了降低不確定因素對地質重構結果地影響，采用地震探測數據與其他物探數據相結合的方式進行數據處理[10]。在淺層地震探測所采集的數據基礎上，增加航空探測數據對原有數據進行補充完善，既引入了航空探測數據包含區域廣泛的優勢，又可解決淺層地震探測不確定性大的問題。

4 結論

基于淺層地震探測技術的基本原理和研究現狀，分析淺層探測技術所存在的問題和發展方向，并總結淺層地震探測的最新研究進展。得到以下結論：

（1）淺層地震探測技術通過人為方式在地表的某一個位置激勵主動產生地震波，根據不同的地質構造，兩種不同構造的分界面存在阻抗差異，當地震波傳播至分界面時被反射回地震波激勵點并產生振動。通過測量地震波在地層中的相關參數可計算得到地下構造。

（2）淺層地震探測技術通常使用P波勘探，面波可規避P波缺陷應用越來越廣泛。地震拖纜技術促使S波具備較強實用性。

（3）探測裝置方面，傳統的探測技術采用發射接收勒夫波或者P波確定地質構造的原理，瀝青、水泥這種硬質路面會對這兩種波的傳輸造成阻礙或削減，而經過陸地拖纜改善后的探測技術可有效避免此問題，地震波不會受到硬質路面的影響。

（4）數據采集方面，數據無線傳輸系統節省了電纜鋪設所產生的一次性投資，提高了數據采集的效率和便捷性。偽隨機掃描可解決傳統探測技術中線性掃描所存在的共振問題，避免建造物發生大幅振動而被損壞。為了提高數據采集效率，解決地震數據龐大難于傳輸的問題，壓縮傳感技術在地震數據采集傳輸方面受到相關人員的關注，應用越來越廣泛。

（5）數據處理方面，為了降低不確定因素對地質重構結果的影響，采用地震探測數據與其他物探數據相結合的方式進行數據處理。