引言

浅层地震勘探作为探测研究地壳浅部构造的一种有效技术手段,目前在城市活断层探测中得到了广泛应用。为了能在环境复杂、各种干扰较强的城市中探测第四系松散沉积层内部落差较小的地震活断层,提取第四系覆盖层内部不同深度的弱反射信息和小构造异常,城市活断层探测通常采用高分辨率浅层地震数据采集技术,且观测系统设计应遵循“小道间距、小偏移距、高宽频信号激发和接收”的原则(方盛明等,2002刘保金等,20022008中国地震局,2009酆少英等,2010高景华等,2012赵成彬等,2011)。由于城市环境的复杂性,在实际的现场数据采集过程中,地震测线不可避免地会遇到江河、桥、交叉路口或宽度不等的街道等地表障碍,这些障碍的存在将造成正常观测系统中震源激发点和检波器接收点的缺失,使地震数据采集达不到设计的覆盖次数,从而导致地震叠加剖面信噪比的降低和资料缺失。因此,当测线遇到无法回避的地表障碍时,就需要对观测系统进行变观,以弥补障碍段影响范围内资料的缺失和覆盖次数的不足,从而保证数据采集的质量。如果过障碍观测系统设计不合理,将会造成剖面资料的缺失以及无法对剖面反射波组进行连续追踪(图 1)。


图 1 过障碍采用不合理观测系统得到的地震叠加剖面 Fig. 1 Seismic stacked section from unreasonable survey with obstacle-crossing geometry

在地震勘探观测系统的过障碍变观设计方面,许多地震工作者针对跨越不同类型障碍所应采取的最佳变观模式进行了研究(梁顺军等,2006潘文锋等,2003钟绍华,1994),并总结了一些过障碍观测系统模式和参数设计公式,但当地表条件较为复杂、障碍较多时,公式计算就不能满足变观设计的需要。近年来,地震勘探过障碍变观设计新方法、新技术不断出现,但大多面向石油、天然气和煤田等三维地震勘探(晁如佑等,2010于冬梅等,2010杨光大等,2005张以明等,2008武磊彬等,2009杨国敏等,2005)。现有的观测系统设计商业软件尽管也可用于浅层地震勘探的观测系统参数论证,但由于城市地震勘探的工作环境极其复杂,地表障碍物纵横交错,且须在不影响城市交通秩序的前提下进行数据采集,并开展科学合理的观测系统变观,因此,研发能在现场进行快速、有效的观测系统变观设计的软件非常重要。本文在分析、总结城市浅层地震勘探障碍类型以及常用过障碍变观模式的基础上,开发了浅层地震过障碍变观设计软件,利用此软件可以快速、便捷地进行过障碍变观设计,为提高数据采集质量提供技术保障。

1 城市浅层地震勘探中常见的障碍及过障碍观测模式

与深层地震探测以及油气田、煤田地震勘探相比,城市浅层地震勘探中遇到的障碍规模较小。比如,深层地震探测和油气田勘探通常把大面积的养殖区、城镇、居民点、江河、湖泊等作为观测系统变观的主要地面障碍(晁如佑等,2010于冬梅等,2010杨光大等,2005)。而城市浅层地震勘探中遇到的地表障碍主要有河流、桥、公路和十字路口等,宽度一般为几米到上百米。由于城市浅层地震勘探的目标层较浅,探测时采用的道间距小、排列长度短,因此,规模不大的地表障碍也会对浅层地震叠加剖面的信噪比和资料的连续性造成影响。

在城市浅层地震勘探中,采用的地震波激发源通常为可控震源,依据障碍段能否使用震源激发地震波、安置检波器接收地震波等情况,可把城市浅层地震勘探中遇到的障碍类型分为3类,即:① 不能进行地震波激发、可安置检波器接收地震波的障碍段;② 能进行地震波激发,但不能安置检波器接收地震波的障碍段;③ 既不能进行地震波激发,也不能安置检波器接收地震波的障碍段。下面对这3种类型的障碍及其变观模式进行简述。需要说明的是,本文在分析和讨论不同类型障碍段的影响及观测系统变观模式时均以道间距2m、炮间距10m、偏移距6m、160道接收、16次覆盖的观测系统为例,并采用综合平面图来表示观测系统。

1.1 不能进行地震波激发、可安置检波器接收地震波的障碍段

当地震测线经过民房或宽度较窄的民巷等障碍时,尽管可以布设检波器接收地震波,却无法进行震源激发,这将降低障碍段及其附近资料的覆盖次数,如图 2所示。图中斜线为共炮点连线,红色线为观测系统的实际覆盖次数,蓝色线为设计覆盖次数(文中图件均如此设定)。


图 2 民房、窄巷等障碍对覆盖次数的影响示意图 Fig. 2 The fold number influenced by residence or narrow lanes

当障碍宽度较小时,通常采用图 3(a)所示的变观模式,该模式的特点是炮检距不变,在障碍段的两侧加密震源激发点数,从而使得障碍段的覆盖次数满足设计要求。当地表障碍宽度较大时,若仅仅在障碍段两侧加密震源激发点,有些测段的覆盖次数仍然达不到设计要求时则需要在障碍段的对侧采用排列内部激发、双边不对称排列接收的方式,或者采用加大排列长度的方式布设炮检点(图 3(b)(c))。


图 3 地震测线遇到民房、窄巷等障碍时观测模式示意图 Fig. 3 The geometry-variable scheme showing seismic line encounters residence or narrow lanes
1.2 能进行地震波激发、但不能安置检波器的障碍段

当地震测线横跨干线公路、大型十字路口等障碍时,尽管可以采用可控震源进行地震波的激发,但为了不妨碍车辆、行人通行,通常不能在公路或路口的中间放置检波器,这种类型的障碍对观测系统的影响见图 4。由于这种障碍的宽度通常较窄,因此可采用观测排列不动、加密激发点的方式来弥补覆盖次数的不足(图 5)。


图 4 干线公路等障碍对覆盖次数的影响示意图

图 5 地震测线遇到干线公路等障碍时观测模式示意图 Fig. 5 The geometry-variable scheme showing seismic line encounters street or road
1.3 既不能进行地震波激发,也不能安置检波器的障碍段

当测线经过河流、桥梁、高速公路、铁路等障碍时,既不能布设检波器,也不能布设震源激发点,这种地表障碍对两侧排列均会产生影响(图 6)。在这种情况下,当排列最后一道到达障碍段时,设定排列固定不再滚动,同时在障碍段两侧加密激发点,并且在正常施工方向障碍段两侧也加密激发点(图 7)。采用这种观测模式,主要是为了提高障碍段影响范围内的覆盖次数,弥补激发点和检波点缺失导致的障碍段两侧地震反射数据的缺失。


图 6 河流、桥等障碍对覆盖次数的影响示意图 Fig. 6 The fold number influenced by rivers or bridges

图 7 地震测线遇到河流、桥等地表障碍时观测模式示意图 Fig. 7 The geometry-changed scheme showing seismic line encounters rivers or bridges

在实际应用中,过障碍观测模式应根据障碍的情况进行合理变观,变观方案可以使用一种观测模式跨越障碍,也可以是多种观测模式的组合。在过障碍变观时除了要考虑变观后观测系统要满足设计的覆盖次数,还要尽量减少因变观观测系统给测线施工人员增加的工作量,以保证工作效率。

2 过障碍变观设计

为了更好地进行城市浅层地震过障碍变观,作者开发了浅层地震过障碍变观设计软件,利用此软件可以方便地进行观测系统变观设计,软件的主要功能如下:

(1)观测系统的绘制和显示

通过设置观测系统参数,绘制出观测系统综合平面图,并可对测线桩号、炮号、共中心点覆盖次数等进行显示和设置。

(2)变观设计功能

在软件中可以设置障碍段的位置,实时显示障碍段对观测系统造成的影响,通过软件中的补炮、重绘、撤消、滚动等功能,交互完成观测系统的变观设计。

(3)可实时计算和显示覆盖次数并对不同炮检距覆盖次数进行统计分析

软件可对每个CMP点处的覆盖次数进行统计,并在观测系统综合平面图上实时显示(图 8(a)中红色线);可设置参考覆盖次数(图 8(a)中蓝色线,一般设置为设计覆盖次数)。另外,软件还可以对测线上各CMP点不同炮检距范围内的覆盖次数进行统计(图 8(b)),不同炮检距覆盖次数统计分析图可以直观地反映过障碍变观方案对地下结构的覆盖情况。


图 8 软件界面(a)和不同炮检距覆盖次数统计分析图(b) Fig. 8 The interface of the software (a) and analysis of fold number variation with offset (b)

(4)观测系统的保存与读取

软件可以将观测系统参数保存为文本格式文件,同时将观测系统图像保存为栅格图形文件和矢量图形文件,也可读取文本格式的观测系统参数文件。

3 浅层地震过障碍变观设计实例

作者在南阳市活断层探测的浅层地震数据采集工作中,利用开发的变观设计软件进行过障碍观测系统的变观设计,取得了较好的效果。以南阳黄台岗镇测线为例,该测线沿S103省道布设,测线经过地段的第四纪覆盖层厚约100—150m,钻孔揭示的新近纪地层的底界埋深为573m(钻孔位置见图 9(c))。该测线数据采集时的观测系统参数为:炮间距15m,道间距3m,接收道数160道,覆盖次数16次。


图 9 受障碍段影响的观测系统(a)、不同炮检距覆盖次数统计分析(b)及得到的地震叠加剖面(c) Fig. 9 The geometry affected by obstacle (a), analysis of fold number variation with offset (b) and seismic stacked section (c)

黄台岗镇测线长度为9300m,沿途经过了多个宽度不同的的交叉路口,在测线桩号1197—1296m之间为一条宽约100m的河流,在河流通过的区段内既不能进行地震波的激发,也不能安置检波器接收地震波,障碍段对正常观测系统的影响见图 9(a)。从图中可以看出,由于障碍段震源激发点和检波点的缺失,测线桩号957—1548m之间的覆盖次数明显降低。由不同炮检距覆盖次数统计分析(图 9(b))可知,炮检距最大时,正常观测段的覆盖次数可达到16次满覆盖,而受障碍影响的测段(即957—1548m),覆盖次数未能达到设计的覆盖次数;与障碍段相对应的位置上,存在“W”形的资料缺口,分析其原因是因为激发点和检波点的缺失造成近炮检距地震道数据的缺失;受障碍段的影响,图中出现明显的条状带,随着炮检距的增大,条状带内覆盖次数不发生变化,且低于两侧观测系统覆盖次数。采用图 9(a)观测系统进行数据采集得到地震叠加剖面(图 9(c)),剖面上反射波组整体上能量较强,受障碍段影响,地震剖面上出现“W”形缺口;桩号957—1548m之间地震资料的信噪比降低,反射波组能量变弱;剖面资料缺失导致反射同相轴的连续性变差,甚至出现中断。

为了尽量减小障碍段对地震剖面造成的影响,作者利用开发的浅层地震过障碍变观设计软件设计了变观方案(图 10(a))。从图 10(a)可以看出,测线桩号957—1548m之间覆盖次数基本上达到设计的16次覆盖,且覆盖次数的分布较为均匀。从图 10(b)可以看出,炮检距达到最大时,测线桩号957—1548m之间的覆盖次数也能达到设计的覆盖次数;而且,变观后条状带内的覆盖次数明显增加,与相邻CMP点的覆盖次数基本一致。采用图 10(a)观测系统进行数据采集,最终得到的反射波叠加剖面(图 10(c))信噪比明显提高,反射波同相轴的连续性变好,剖面资料缺失情况也得到了很大程度的改善,这说明采用合理的观测系统变观,有效提高了地震叠加剖面的质量。


图 10 利用软件设计的过障碍观测系统(a)、不同炮检距覆盖次数统计分析(b)及得到的地震叠加剖面(c) Fig. 10 The geometry from the software developed by the author (a), analysis of fold number variation with offset (b) and seismic stacked section (c)
4 结论

对于城市浅层地震过障碍变观设计,主要有以下几点体会:

(1)尽量减小过障碍最小炮检距。在观测系统设计中,选取的最小炮检距与所要获得的最浅目标层有关,当地震测线跨越障碍物时,实施变观后的最小炮检距将会变大,如果选取的值太大,浅层资料质量将会受到影响。

(2)根据障碍的特点灵活变观。野外数据采集时,测线遇到的地表障碍复杂多变,一条测线可能遇到多个障碍,每个障碍又有各自的特点,因此要根据障碍的具体特点、现场激发接收条件、现有设备情况等,进行灵活设计,使得用较低的费用获得较好的勘探效果。

(3)浅层地震过障碍变观设计软件可以作为浅层地震勘探数据采集的辅助软件,能够让数据采集人员在现场实时掌握和分析障碍的影响范围和程度,对观测系统进行灵活变观,设计出合理的过障碍观测系统,以保证地震剖面的质量。

参考文献
晁如佑, 付英露, 石一青, 魏燕, 成云, 李金莲, 2010. 复杂障碍区三维地震观测系统变观设计方法及应用. 复杂油气藏, 3(4): 31–34.
方盛明, 张先康, 刘保金, 徐锡伟, 白登海, 姬继法, 2002. 探测大城市活断层的地球物理方法. 地震地质, 24(4): 606–613.
酆少英, 龙长兴, 高锐, 石金虎, 杨卓欣, 谭雅丽, 寇昆朋, 2010. 高分辨折射和浅层反射地震方法在活断层探测中的联合应用. 地震学报, 32(6): 718–724.
高景华, 徐明才, 2012. 地震方法确定活动断裂上断点的影响因素分析. 地震地质, 34(2): 338–347.
梁顺军, 肖敏, 唐怡, 蔡友宏, 张延充, 刘定锦, 2006. 二维地震过障碍观测系统模式及其参数设计. 石油地球物理勘探, 41(1): 1–7.
刘保金, 张先康, 方盛明, 赵成斌, 段永红, 朱金芳, 黄昭, 黄宗林, 王善雄, 郑德刚, 2002. 城市活断层探测的高分辨率浅层地震数据采集技术. 地震地质, 24(4): 524–532.
刘保金, 柴炽章, 酆少英, 赵成斌, 袁洪克, 2008. 第四纪沉积区断层及其上断点探测的地震方法技术-以银川隐伏活动断层为例. 地球物理学报, 51(5): 1475–1483.
潘文锋, 贾随良, 梁春生, 王小山, 皇甫煊, 2003. 灵活二维观测系统设计及其应用. 石油物探, 42(1): 39–41.
武磊彬, 郭龙芳, 束双伟, 2009. Klseis软件在复杂地表地区三维地震勘探设计中的应用. 中国煤炭地质, 21(S2): 93–95.
杨光大, 郭东启, 李忠惠, 周德, 2005. 乾安城区特殊观测系统设计及应用. 石油地球物理勘探, 40(4): 377–380.
杨国敏, 刘伟, 卢君实, 2005. 绿山MESA软件在三维高分辨地震勘探中的应用. 煤炭技术, 24(10): 89–91. DOI:10.3969/j.issn.1008-8725.2005.10.058
于冬梅, 温俊凤, 吴智强, 碗学俭, 杨素玉, 王永平, 2010. 三维采集现场快捷变观设计在濮城区的应用. 石油地球物理勘探, 45(S1): 9–12.
张以明, 白旭明, 张登豪, 杜武智, 王朝阳, 2008. 城 (矿) 区高精度三维地震采集技术. 中国石油勘探(2): 29–36.
赵成彬, 刘保金, 姬计法, 2011. 活动断裂探测的高分辨率地震数据采集技术. 震灾防御技术, 6(1): 18–25. DOI:10.11899/zzfy20110102
中国地震局, 2009. DB/T 15-2009.活动断层探测. 北京: 中国标准出版社.
钟绍华, 1994. 二维地震勘探灵活观测系统施工设计. 石油地球物理勘探, 29(S1): 156–162.