超浅层三维地震勘探技术在复杂地区隧道勘探中的应用

超浅层三维地震勘探技术在复杂地区隧道勘探中的应用

地球物理勘探技术在调查不良地质特征的分布，如地形分布、厚度、断裂带分布、规模和洞穴等方面发挥了重要作用，成为工程勘察中常见的一种技术手段。为了提高超浅层三维地震数据采集效率,美国堪萨斯大学DonSteeple带领的研究团队在超浅层三维地震高效率采集方法研究方面作了大量工作,提出了Autojuggie采集技术,较好的满足了工程领域对三维地震施工效率高的要求1试验工区地表的选择和应用试验工区位于上海市某公路上,试验区块范围如图1实线框所示,宽12m,长24m.有一条东西方向的地铁隧道从该路段下面横穿而过,图1中部东西方向2条虚线所示为地铁隧道的边界,试验目的之一就是利用超浅层三维地震勘探技术对隧道的分布情况进行刻画和识别.根据以往的钻探结果,上海市区的近地表低速层主要由粉质黏土组成,厚度在3~5m,地震波速度为800~1000m/s.低速层下面是降速层,主要是夹薄层粉砂淤泥质黏土,地震波速度范围为1300~1500m/s,降速层的厚度为10m左右.降速层下面是高速层,主要由淤泥质黏土组成,厚度为10~40m,地震波速度为2000~2200m/s.另外一个试验目的是检验超浅层三维地震勘探技术对低速层底界面、降速层底界面等超浅层地层界面的探测能力.所选择的试验工区地表是坚硬的沥青路面,不利于检波器与地表的良好耦合.试验工区附近车辆较多,给地震采集施工带来了困难,同时也带来一定的噪声干扰.总体上该试验工区能够代表城市复杂的环境条件,是一个比较理想的试验场地.2试验区块的数据处理三维地震勘探往往需要布置大量检波器,因此施工效率较低,花费较高.为了提高超浅层三维地震数据采集的效率,本文设计了密集炮点的三维地震采集排列片(见图2),其中,小方形表示检波点,小圆圈表示炮点.这种观测方式在保证不降低覆盖次数的前提下,能够减少了检波器排列片的滚动次数,较大程度地减少了布置检波器的工作量,从而提高了施工效率、降低了采集成本.如图2所示的接收参数包括6条相互平行的检波线,相邻检波线的距离为1m,每条检波线上有48个检波点,相邻检波点的距离为0.5m;激发参数包括24条相互平行的炮线,炮线与检波线垂直,相邻炮线的距离为1m,每条炮线上5个炮点,相邻炮点的距离为1m.当数据采集施工时,检波线方向与公路平行.首先在6条检波线288个检波点上布置检波器,每个检波点上1个动圈式检波器,检波器的自然频率为28Hz,阻尼系数为60%,利用石膏将检波器与地表黏连.然后,按照图2所示的炮点位置,利用锤击震源进行地震波的激发,在每个炮点垂直叠加3次,锤击震源为6kg的铁锤.地震数据的采样间隔为0.5ms,每一道的记录长度为256ms.所使用的地震仪为分布式多道地震仪,每一炮的288道地震记录可以同时被记录下来,并被记录成SEG-2格式.完成一个排列片所有炮点位置地震波的激发后,将排列片沿着炮线方向(横向)滚动4m,按照相同的方式布置检波器和激发地震波,即可完成试验区块地震数据的采集.这样的滚动采集方式可以在施工过程中留下半个路面让车辆等通过,减小了对城市交通的影响.如图3(a)所示为采集的原始记录,其中利用omega地震数据处理软件对超浅层三维地震数据进行处理.将SEG2格式的地震数据转换为SEGY格式,把SEGY格式的地震数据输入到地震数据处理软件,进行观测系统定义和加载.为了将低频面波和高频噪声滤掉,首先进行了带通滤波处理,带通滤波的参数设计为30-40-200-220Hz,滤波后的记录如图3(c)所示.从图3(c)中可以看出,甚低频的面波和一些高频噪声得到了较好的压制,但是仍存在频率稍高的面波干扰.不过,这些干扰可以利用FX域线性噪声压制技术去除,图3(d)为去除了这些线性干扰后的记录.从图3(d)可以看到地震记录的信噪比较大程度得到了提高,某些浅层反射(如5~10、15~20ms等)已经能够明显的识别出来.经过带通滤波、FX线性去噪之后,利用球面扩散补偿处理对地震记录的能量进行了补偿,以消除地震波球面扩散对能量的影响.之后,进行了3D地震地表一致性振幅补偿处理,以消除不同激发点引起的激发子波能量的差异.在振幅补偿处理以后,利用3D地表一致性反褶积方法,消除了由于炮点耦合、检波器耦合差异等对地震子波频率的影响.之后,为了进一步提高地震数据的分辨率,对炮集数据还进行了预测反褶积处理,预测步长为12ms,算子长度为20ms.反褶积前后的地震单炮记录及其频谱如图4所示.从图4中可以看出,反褶积处理拓宽了地震数据的频带宽度,提高了地震资料的分辨率.最后,抽取了CMP道集数据,并进行了速度分析和叠加,如图5所示为速度谱和相应的道集数据.其中图5(a)为速度谱及速度拾取情况,其中由于试验区块在非常平坦的公路上,所以不存在地表起伏影响问题,没有进行静校正和剩余静校正处理.超浅层地震数据的高精度速度模型建立较为困难,使得偏移效果不理想,而且本次试验区域面积很小,地下地层界面较为平坦,因此本文对地震数据未进行偏移处理.这套超浅层三维地震数据的处理流程如图6所示.最终处理的叠加剖面如图7所示,横坐标为CDP号,从图7中可以看出,在5~10和15~20ms有2个反射同相轴,根据该试验区块的地质资料分析,应该分别对应粉质黏土层底界面、夹薄层粉砂淤泥质黏土层底界面的反射,即低速带底界面和降速带底界面的反射.受地下隧道影响,低速层底界面的反射在中间部分断开,而且在隧道边界存在地震波绕射现象.在隧道区域,反射时间10ms附近有一段持续时间较短的反射波,推测是隧道顶板底界面引起.40ms附近的反射是降速带底界面处产生的多次波,这由前文速度分析图也可以看出.50~60ms之间的反射波应该是降速层和高速层之间的界面引起的,由于该反射层较深,地震波高频成分衰减严重,使得该反射波频率较低,能量有所减弱.3低频层底界面地震反射波分布利用三维可视化软件Geoprobe对试验所获得的超浅层三维地震叠加数据体进行了解释和分析.如图8所示为三维可视化解释结果图,其中黑色代表正振幅,白色代表负振幅.图8(a)为超浅层三维地震数据体,从中可以看出,15~20ms有一比较强的反射,应该对应夹薄层粉砂淤泥质黏土层底界面,5~10ms附近有一弱反射,应该对应粉砂质黏土层的底界面,即低速层底界面.由于地铁隧道的影响,低速层底界面的地震反射轴在地铁隧道区域发生了错断,据此可以追踪隧道的位置.图8(b)~(d)为反射时间为5、10、19ms时的反射振幅强弱的平面分布情况,其中5ms是低速层底界面的反射时间、10ms是隧道顶板底界面的反射时间、19ms是降速层底界面的反射时间.从图8(b)中可以看出,低速层底界面的反射在整个平面上并不都是正振幅,中部位置附近有一块白色区域,推测是隧道切断了低速层底界面造成反射波缺失的缘故.从图8(c)中可以看出,10ms处的反射波有一段正振幅区域,推测是隧道顶板底界面的反射.综合图8(b)和8(c)来看,由两图推测的隧道区域平面位置是一致的,都位于中部位置,与隧道的实际位置基本吻合,表明上述推测是合理的.从图8(d)中可以看出,降速层底界面的反射波在整个平面上都是正振幅,表明该层反射波连续性较好,在试验区块该地层界面比较平坦.4超浅层地震数据处理(1)对超浅层三维地震勘探数据采集来说,较高的施工效率才能够减少成本,满足工程勘察的需要.从试验应用效果来看,本文采用的密集炮点的不规则观测系统是一种效率较高的施工方法,能够满足超浅层三维地震勘探需要.(2)由于工程勘察地质目标体较小,且埋藏较浅,较小的面元才能满足勘探对地震横向分辨率的要求,因此需要设计很小的道距和炮点距,以及很小的检波线距和炮线距.(3)超浅层三维地震数据的反射波往往淹没在强干扰之中,良好的叠前去噪技术是做好超浅层三维地震数据处理的关键.从本次试验所获得的结果来看,超浅层3D地震干扰波具有线性特征,FX域线性压制技术能有效去除这种干扰.(4)本次应用结果表明,利用超浅层三维地震勘探技术可以有效探测反射在50ms以内的地层界面,而且对超浅层空洞等不良地质体也能进行有效探测.(5)选择地表有起伏的试验地点,进行进一步的应用试验,以研究超浅层三维地震数据的静校正方法,是需要深入研究的问题.(6)从叠加剖面可以看到,