海上地震勘探在近海工程中的应用

海上地震勘探在近海工程中的应用

随着建设项目的发展，跨江和海洋水域的项目开发越来越多。海洋地震勘探广泛应用于大陆架和深海，也广泛用于沿海地区和大陆河流的开发。浅层水域地震系统是海洋地震系统的浓缩版,也由船载系统和拖曳系统组成。船载系统包括可控震源、数据采集和处理平台、DGPS差分卫星导航定位系统;拖曳系统包括换能器、水听器和电缆等。根据发射频率、震源、接收系统和勘探深度的不同,可分为浅地层剖面法、单道地震、多道地震等不同反射波法。浅地层剖面法类似于回声测深装置,利用声波测距原理设计。与其他方法不同的是:接收和发射为同一系统(拖鱼);一般频率较高,通过换能器将控制信号转换为不同频率(一般在100～10kHz之间)的声波脉冲向海底发射;探深在30m以内,主要用于浅部不良地质体、管道、浅剖覆盖层的精细分层和水底地形测量等。单道地震使用的震源一般是电火花和BOOMER震源,采用单个水听器或多个水听器组合成一体的单个地震道接收,单次覆盖观测系统。工作频段在200～8000Hz之间,主频在500～1500Hz之间,有时也称为中剖,单道地震探深中等,一般可达强风化岩顶面,地层条件许可时可达中风化岩顶面。对薄层的分辨能力较高,可达分米级。单道地震主要用于对第四系地层分层,调查浅层气、滑坡、软土层、孤石等不良地质,还可用于探明活动性断裂是否错断第四系,确定断裂的活动年代。多道地震使用的震源包括电火花、气枪、水枪和落体等,采用多道漂浮电缆接收,多次覆盖观测系统。工作频段在50～2000Hz,主频在100～500Hz。最大探深一般穿透中微风化层,至少在200m以上。对薄层的分辨能力较低,一般为米级,主要用于查明覆盖层结构、地层岩性、风化界面、基岩埋深、基岩面形态和褶皱、断裂构造,进而评价断裂规模、走向和活动性。笔者以深中通道跨珠江口桥址和隧道勘察工作为实例,阐述在近海区域和内地江河如何合理地应用各反射波法的问题,如主要采集参数、软件处理中主要功能的选择、软件处理的重点和各方法综合解释等,达到精细分层和查明隐伏构造勘查的目的,并例举了浅层气、孤石、断裂等异常和岩土分层的较典型时间剖面。1潮位及基岩特征深圳至中山跨江通道工程是连接珠江口东、西两岸深圳和中山两市的一条跨越珠江口内伶仃洋的通道(图1)。工区海域为不规则半日潮海区,水位在一个潮周期内变化相对较平缓,最高潮位3.5m、最低潮位-1.3m,最大潮差3.6m,最小潮差0.02m。水体含盐量约为正常海水的1/3～1/4。地层岩性:覆盖层为全新统—上更新统海相、陆相和河流相沉积冲积的淤泥、淤泥质土、黏土和粉质黏土等,中山侧基岩为变粒岩、深圳侧为燕山三期细—粗粒斑状花岗岩。基岩可划分为全风化、强风化、中风化及微风化带。桥址区内断裂以北西向为主,次为北东向。穿过轴线的断裂构造主要为白坭—沙湾断裂(北西向)、黄埔—巩石水道东侧断裂(北西向)、南岗—东博寮海峡断裂(北西向)和翠亨—田头断裂(北东向)。2基岩与第四系覆盖层的波阻抗差异根据前人工作成果,参考相邻地区资料,主要岩土层的物理性参数见表1。由表1可见,本区具有开展地震类勘探的地球物理条件。(1)基岩与第四系覆盖层之间波速及密度差异明显,两者之间存在明显的波阻抗差异,故基岩顶面为良好的地震波反射界面。(2)第四系覆盖层内各层组之间也存在一定的波阻抗差异,当界面较稳定、干扰小时,也可为较好的地震反射界面。(3)若断裂引起地层的垂向错动或岩体破碎,则地震时间剖面图将出现反射波组同相轴的错动、不连续或能量减弱、绕射波出现等异常特征。3激发激发间隔时间生产性数据采集工作开始前,进行了现场试验。试验内容包括震源能量、激发间隔时间、滤波通带、采样间隔、记录长度、偏移距、炮间隔、航速等。通过试验结果选择最佳的采集参数,各方法分述如下。3.1船舶激发方式采用高压空气枪震源系统激发,气枪工作压力为9～10MPa,计算单炮激发能量3500～5000J。激发间距5s,匀速航行,航速3.11节。采样间隔0.125ms,记录长度256ms,低切60Hz滤波。采用拖拉式连续匀速航行和定时激发方式施工,接收电缆牵挂在船尾部向后延伸,一般选择平潮期间工作。图2为多道地震单炮记录。3.2bo研磨震源改造生产采集前,进行的现场试验表明,由于水体含盐量太小,电火花震源无法工作,改用BOOMER震源后,采集的记录在80ms以内可见明显的有效反射,满足设计要求。通过试验,最终选定BOOMER震源,发射功率500J,采样间隔0.250ms,记录长度256ms。图3为单道地震实测资料。3.3浅地层资料采集浅地层剖面法与单道地震同船同线施工。本次工作中,浅地层剖面仪记录长度50ms、发射功率400J,探头沉放深度0.6m。图4为浅地层剖面法实测资料。采用上述参数采集的原始地震记录波组清晰连续、层位分明、信噪比高。后续处理得出的时间剖面波组清晰,层位分明,说明选择的采集参数合理。4多次波压制技术浅地层剖面和单道地震数据处理相对多道地震来说,较为简单。多道地震数据处理有如下几个关键步骤:速度分析、多次波的压制、宽线叠加。速度分析主要应用超级速度谱,速度分析区间为1000～3000m/s(步长10m/s),从速度谱中根据叠加能量最强的原则拾取叠加速度,最终采用二维速度模型供动校正使用,速度扫描分析如图5。速度分析的几点认识:①速度间隔对速度谱的效果影响较大,一般速度间隔选择较小(10m/s),做出的速度谱能有效地反映反射波的叠加速度随时间的变化规律;②深层出现速度相对较低的反射能量团,而其时间与速度相近的浅层反射波的时间成倍数关系时,则可能是多次波;③一般要使v-h曲线通过叠加振幅的峰值(高能量团),但在深层必须慎重地通过标准层反射波能量团,舍去高速绕射波和低速干扰波所引起的较大的能量团;④单条速度谱线并不能确定某一时刻的叠加速度,单张速度谱也不能较精确地反映某一反射波的叠加速度的变化规律。多次波在时间剖面上与有效波基本呈等时差间隔多次出现,也比上一次波的倾角陡,如图6左侧波形所示。多次波的压制主要利用FK滤波和预测反褶积。FK滤波在动校后进行,因为在动校正道集上,一次波被拉平,而多次波由于校正的速度过大变成了抛物线,再利用带通切饼式滤波器,可达到消除多次波的目的。如图6右侧波形所示,为图6左侧所示记录处理后结果。叠加采用宽线叠加方式,将落入同一个线元的道叠加成同一个CDP(共深度点),主要功能是消除航速不稳的影响。4.1测区地质资料物探波组划分主要依据单道地震、多道地震时间剖面反射波组的波形特征,通过对波组的走时、频率、相位、强度及连续性等对比分析,将测区80m深度范围内划分为五个有效波组(T1、T2、T3、T4、T5),结合地质资料,分别对应水底、砂层底、淤泥层底、全强风化岩顶和中微风化岩顶。剖面有较高的分辨率和信噪比,第四系地层结构、各风化分层厚度变化及基岩面起伏在时间剖面上显示得清楚直观,分层较为精细,并由钻探资料证实(图7)。4.2异常检测4.2.1浅层气发育区地震时间剖面上屏蔽区存在,主要表现为地震反射杂乱,同相轴模糊,层速度降低,出现“下拉效应”,推断为浅层气发育区。浅层气可能是在地层形成时期一同埋藏的有机质非氧化分解产生的气泡,当地震波穿过该层时绝大部分能量被吸收,因此下部地层的反射很弱或消失。浅层气发育区的地震剖面如图8所示。4.2.2孤石反射波组的识别在强反射波面(基岩)之上及沉积物反射面之下的时间剖面,基本对应风化层,出现较强不连续的绕射波,推断为孤石的反射波组。较典型的地震时间剖面见图9。4.2.3中微风化基岩顶面反射波地震剖面的地震资料分析根据相关规范和同类工程经验,结合地质情况,在断裂通过处一般存在如下特征:①反射波同相轴或波组出现错断现象;②反射波同相轴数目明显增加或减少;③反射波同相轴产状突变,反射凌乱或出现空白区;④反射波同相轴的强相位反转;⑤来自中微风化基岩顶面反射波组的双程时间明显增加,出现明显的岩面凹槽或岩面陡坎。断裂异常反映的较典型地震时间剖面见图10。断裂异常位置布设了验证孔,其验证情况如表2。从验证