地震横波勘探与联合剖面法在城市地质调查中的综合应用

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引言
随着目前中国城市规 模 的 越 来 越 大，在 城 市 的 规划 、 建设过程中，迫切需要 详 细 了 解 该 区 域 的 断 裂构造 、 地质灾害 、 地质 资 源 等 地 质 情 况 。 目 前 在 城市地质调 查 中 用 到 最 多 的 方 法 包 括 钻 探 和 物 探 。 反射地震方法作为一种常用并且有 效 的 地 球 物 理 勘 探方法已经广泛应用到油气矿 产 资 源 勘 探 、 工 程 地 质勘查 、 深部地壳结构 探 测 、 地 震 海 洋 学 、 考 古 等 ［1 ～ 4］ 。目前应用较多的反射地震法 地质调查工作中 一般指纵波勘探，而横波勘探则 在 实 际 的 地 质 勘 探
图2
纵横波速度比与泊松比的关系图
与常规纵波反射时距曲线有相 似 特 点，所 以 在 横 波 勘探中多采 用 SH 波， 它 的 数 据 采 集 、 处 理 方 法 及 流程与纵波勘探基本相同 。 本次横波勘探试验中采集设备为美国的 R24 多 道地震仪，检 波 器 为 重 庆 地 质 仪 器 厂 生 产 的 24 道 横波检波器，采用挖坑垂直 放 置 铁 板 、 水 平 方 向 单 边敲击 的 方 式 获 取 横 波， 观 测 系 统 为 道 间 距 1m ， 最小炮检距 2m ，炮间距 2m ； 覆盖次数为 6 次 。 反射横波地震数据处理 流 程 如 下： 格 式 转 换 → 预处理 → 静校正 → 叠前去噪 → 速度 分 析 → 叠 加 → 叠 后去噪 → 偏移 → 导入测点号 、 高 程 等 信 息 → 偏 移 剖 面输出 。 图 3 是一个单炮记录经 过 叠 前 去 噪 处 理 前 与 处 理后的对比图 。 叠前去噪主 要 包 括 振 幅 补 偿 、 异 常 值压制 、 带通滤波 、 子波 反 褶 积 等 流 程， 从 图 中 可 以看出，经过叠前去噪 后， 深 部 振 幅 得 到 补 偿，低 频干扰被压制，有效反射波形变得更 加 清 晰 ， 使 原
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式中： ν p 代表纵波波速； ν s 代表横波波 速； E 为 介 质的弹性模量； λ 、 μ 为介质的拉梅系数； ρ 为介质 的密度； σ 为介质的泊松比 。 则其纵 、 横波速比和波长比分别为： νp = νs λ + 2μ = μ 2 （ 1 － σ） 1 － 2σ
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E ρ（ 1 + σ ）
图1 纵横波及其比值与密度的关系图
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νp / νs λp = fp / fs λs 式中： λ p 、 λ s 分别代表纵 、 横波的波长 。 地震勘探中， 纵 向 分 辨 率 等 于 波 长 的 1 /4 ， 因 此我们可以利用它们的波长比进行 纵 向 分 辨 率 的 比 较 。 波长越短，其纵向分辨率越高 。 图
。本文以珠三角城市
群环境地质调查工作为例，试验 了 这 两 种 物 探 方 法
0426 ； 修订日期： 20110621 收稿日期： 2011基金项目： 中国 科 学 院 广 州 天 然 气 水 合 物 研 究 中 心 开 放 基 金项目 （ No． CASHYD07s2 ） ． 作者简 介： 郑 红 波 （ 1981 － ） ， 男 （ 汉 族 ） ， 湖 北 黄 冈 人， 硕士，工程师 ．
特别是松散的浅表层勘探中比纵波具有更高分辨率的优势 。 并 以 珠 三 角 某 地 城 市 环 境 地 质 调 查 工 区作为试验区，采用反射横波勘探和联合剖面法两种物 探 方 法 进 行，根 据 横 波 地 震 剖 面 以 及 联 剖 电阻率曲线划分了该区浅表层的地层分布特征以及咸水区 与 淡 水 区 的 界 限 ，不 但 与 钻 孔 资 料 能 够 完全吻合，而且两种资料在地层和咸 、 淡水界限划分上能够互相印证 。
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图 1 为 纵、 横 波 速 度 及 其 比 值 与 密 度 的 关 系 ，图 2 为纵横波速度比与泊松比的 关 系 图 。 从
图 1 中可以看出，单 纯 由 于 岩 石 密 度 的 增 加， P 波 和 S 波速 度 将 以 不 同 的 速 度 增 加， 而 速 度 比 v p / v s 随密度的增加而减小； 当密 度 小 于 2 时，呈 直 线 下 降，比值降 到 1. 73 左 右 时， 则 下 降 得 很 平 缓， 这 就是常见的 泊 松 比 为 0. 25 的 情 况 。 图 2 为 纵 横 波 速比与泊松比的关系图，从 图 中 可 以 看 出， 当 泊 松 比小于 0. 4 时，纵 、 横波 速 比 变 化 平 缓， 当 泊 松 比 大于 0. 4 时， 纵 、 横 波 速 比 急 剧 增 大 。 我 们 知 道， 地表土层的泊松比一般都较高，普遍大于 0. 25 ，如 果土层更松散的话，泊 松 比 会 高 达 0. 4 以 上， 而 密 3 3 度一 般 小 于 2 × 10 kg / m ， 其 纵 、 横 波 速 度 比 一 般 较大，在其频率相近的 情 况 下，纵 、 横 波 波 长 比 也 较大 。 因此，在浅地层地 震 勘 探 中， 特 别 是 在 划 分 较为松散 的 浅 表 层 时， 横 波 的 分 辨 率 要 高 于 纵 波， 采用横波勘探更有优势 。 当入射横波为 SH 波 时， 在 弹 性 界 面 上 只 产 生 同类反射 波 而 不 产 生 转 换 波 。 因 此， SH 波 反 射 波 波型简单，又 由 于 这 种 波 的 入 射 线 和 反 射 线 对 称，
Zheng Houqing 2
（ 1. CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology ， South China Sea Institute of Oceanology ， Guangzhou 510301 ， China ； 2. South China Sea Marine Engineering Surveying Center ， SOA ， Guangzhou 510800 ， China ； 3. Guangzhou Center for Gas Hydrate Research ， Chinese Academy of Sciences ， Guangzhou 510640 ， China ）
关键词： 反射横波勘探； 联剖法； 地质调查 中图分类号： P631 文献标识码： B
Comprehensive application of Swave seismic exploration and resistivity composite profile in urban geological survey
510301 ； 2. 国家海洋局南海 510640 ）
（ 1. 中国科学院边缘海地质重点实验室，中国科学院南海海洋研究所，广州
510800 ； 3. 中国科学院广州天然气水合物研究中心，广州
摘要： 本文分别阐述了横波勘探与 联 合 剖 面 法 的 工 作 原 理， 并 详 细 阐 述 了 反 射 横 波 勘 探 在 浅 地 层
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的联合应用，探讨了这两种方法的有效性 。 1 1. 1 原理 横波的物理特征及优势 纵波和横波都属于体 波， 是 质 点 在 介 质 体 中 两 种不同形式的运动方式 。 纵波是 由 质 点 在 胀 缩 力 作 用形成的，能在固体 、 气 体 和 液 体 中 传 播， 而 横 波 则由质 点 在 剪 切 力 作 用 下 形 成， 只 能 在 固 体 中 传 播 。 它们在介质中的传播速度分别为： νp = νs = λ + 2μ = ρ μ = ρ E（ 1 － σ） ρ（ 1 + σ ） （ 1 － 2 σ ）
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郑红波
工程勘察中心，广州
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， 邢玉清 2
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图3
原始单炮记录与叠前去噪后的单炮记录对比图
始炮集数据的分辨率和信噪比 都 得 到 提 高， 为 后 续 处理奠定了较好的基础 。 1. 2 联合剖面法原理 联合剖面法 是 电 阻 率 剖 面 法 中 最 重 要 的 方 法， 它由 两 个 三 极 排 列 AMN ∞ 和 MNB ∞ 的 联 合， 所 谓 三极排列是指供电电极之一位 于 无 穷 远 的 排 列 。 采 用联合剖面装置时，可以用 A 电极，也可以用 B 电 极供电，而 A 和 B 有一个共同的无穷远电极 C ，也 就是当 A 或 B 供 电 时， 供 电 回 路 中 另 一 电 极 C 位 于无穷远 。 如果以 O 表示测量电极 M 和 N 的中点， 则在联合剖面 装 置 时， 四 个 电 极 A 、 M 、 N 和 B 极 位于同 一 直 线 上 （ 这 条 直 线 就 是 测 线 ） ， 且 AO = BO ； 无穷远 极 C 一 般 铺 设 在 测 线 的 中 垂 线 上， 与 测线之间的距 离 大 于 AO 的 五 倍 （ CO ＞ 5AO ） 。 工 作中将 AMNB 四个电极沿测线一起转动， 并保持各 电极间距离不变，中点 O 就作为测点的位置 。 在每 个测点上 分 别 测 出 AMN ∞ 排 列 和 MNB ∞ 排 列 F s 、 ρ s ，对于同一极化体， AMN 、 BMN 的测量结果将在 极化体上方形成交点 。 利用这种 交 点 性 质 和 曲 线 的 不对称性可判断极化体的产状 、 形态 。 本次采用联 合 剖 面 装 置 的 参 数 为： AO = BO = 250m ，供电时间为 2s ， MN = 20m ，测点距为 20m 。 2 2. 1 实例分析 地质概况及地球物理条件 根据区域地质资料，该区 域 的 上 覆 地 层 主 要 为 第四系陆相冲 、 洪积相 地 层，主 要 有 淤 泥 质 土 、 粉 砂 、 中砂 、 粗砂 、 粉质粘土 等； 下 伏 基 岩 为 燕 山 期