地震折射法

高分辨率折射地震数据的采集和解释RobertW.Lankston原著张秋光节译摘要本文的目的是对应用p波或s波的地面折射地震法作一总的考察。应用折射地震法研究浅层目标物的历史可以追溯到50年代早期至1980年。1980年以后，由于应用多道信号增强地震仪收集数据以及应用微机按广义互换法（GeneralisedReciprocalMechod，简写为GRM）软件解释数据，已经可能做到对地下作详细的勘测。借助现代技术，在野外工作和数据处理方面均可实现高水平的质量监控。论述了同时获得p波和s波的波速对工程应用的重要意义。为了更好地分辨地下物质的类型（特别是含有地下水时），同时记录p波和s波可能是值得重视的下一个重要步骤，虽然目前的常规实践主要是测p波。对产生p波和s波能量的方法作了比较。进行s波测量时需要：（1）特别注意震源的设计；（2）在地震仪或计算机中进行额外的数据处理，以便从兼含p波和s波能量的信号中提取s波信息。给出了二层、多层水平界面以及倾斜界面情况的旅行时方程。这些方程在许多教科书中都可以找到，之所以重复给出，其目的在于指明有关折射测量的许多简单处理解释方法并不适当。简单模型的旅行时方程还可用以说明构制连续正、反剖面曲线的外延技术（phantoningtechnique），这种构制工作要求野外记录有一定程度的重复覆盖。截距时间法（InterceptTimeMethod，简记为ITM）是一种曾经使用了多年的解释方法。但是，此法只适用于折射界面为平面且无横向速度变化的情况，这在实际中是罕见的。为ITM准备数据的野外工作方法是在排列的两端各放炮一次。一般地说，这种现在已经过时的方法会给解释工作留下不确定的因素；当采集的数据足够充分时，才能消除其中许多不确定性。GRM是一种较ITM更为完善的解释方法。它先用外延技术获得正、反方向的连续时距曲线，然后利用这些曲线求出速度分析函数和时--深函数。GRM速度分析函数的卓越功能在于：它能沿测线连续地给出折射界面速度（不管有多少次横向变化）。联合利用时——深函数及速度分析函数可以确定XY参数的最佳值。这一最佳值在GRM数据处理的最后阶段（时——深偏移）起着关健性的重要作用。偏移处理利用时——深值、目标折射界面以上各层的速度和厚度以及目标折射界面速度最终绘制出目标界面图。给出了一个拟议中的垃圾掩埋场的实例，其数据是在不理想的条件下采集的。折射法的研究对象是玄武岩基岩，开初认为这种基岩离地表只有几米深。推断解释的结果是：垃圾掩埋场所在处由三层组成。数据采集技术的质量控制以及GRM数据处理所固有的质量控制保证了解释具有高的可信度。地表和折射界面的地形均沿测线不断变化，两者间的距离在18～35米范围内变化。发现基岩有两次横向速度变化，它被解释为玄武岩分层所致。引言本文所阐述的使用P波或S波的折射技术既可应用于石油工业也可用于环境和工程研究。所谓高分辨率，不应只理解为数据点密集和计时准确，更应理解为由于数据采集和计时过程可信度的提高而导致地下信息的增进。在反射法中，入射到目标分界面的射线被直接反射回地面；而在折射测量中，入射线先沿目标分界面临界折射，然后返回地面。早在反射法发展之前，石油工业已经在使用折射法；看来，在浅层地震方面，也在循着同样的进化途径。当前，大多数浅目标地震工作只使用P波；然而，当S波数据的效用被广泛地理解之后，S波测量将会更经常地进行。浅目标折射测量始于50年代早期（STAM，1962），当时用的仪器是地震记录仪（SeismicTimer），该仪器不能显示波形。几乎与地震记录仪同时，人们用一种改进了的示波器在野外对全波形作短暂的显示（Stam，1962），较之前这是一个重要的改进。然而，在P波测量中野外示波器的效用受到能源强度的限制；而且由于没有任何数据贮存能力，阻碍了对S波的测量。60年代后期，出现了数种能对检波器输出的全波形进行干法照相记录的小型多道地震仪。在此期间，在浅目标测量中还使用着另一种配有记录笔的地震仪，记录笔可以在方格纸上移动。60年代后期工程地震仪设计的最重要的进展乃是增强型或垂向叠加型地震仪的问世。直至今天，信号增强能力仍是用于浅目标研究的各种地震仪的基本性能指标之一。最初制造的信号增强地震仪只有一道。它将从单个检波器输入的波形数字化，然后存入类似计算机中的存储器。与野外示波器不同，通过连续读取存储器，此仪器可将整道波形连续地在阴极射线管屏幕上显示出来。在P波折射研究中，使用者有充分的时间确定波的初至。使用重覆锤击源时，每次锤击产生的信号都被数字化，并加到存储器中。大体上，指波在折射界面下部媒质中的传播速度。相干初至能量将会同相迭加，从而存储器中的存储值增大；而不相干的干扰（噪音）则往往反相相加，导致幅度降低（至少，其幅度的增加要比相干信号慢）。具有信号增强功能的地震仪的制成应该说是折射法的一个重大突破。有了这种地震仪，即使折射使用较弱的震源也可以记录到来自较深折射界面的信号。然而，各种单道地震仪的缺点是震源的能量没有充分利用且野外生产效率甚低。人们进一步想到用信号增强地震仪记录P波反射信号。它也使在地面或钻孔内记录S波信号成为可能。70年代中期，在地基研究中，钻孔S波测量已成为一种相当常规的方法，但反射地震法迫切要求能设计出多道信号增强地震仪并采用数字记录和微机处理。在70年代后期，单道增强地震仪已经扩展为多道系统，从而能在较短时间内收集更多的数据。这种添加的数据采集能力使连续折射剖面测量得以实施。多道系统所提供的速率和效率允许人们将检波器布置得更为靠近，从而对折射界面有更高的横向分辩率。通过对同一检波器排列在多种不同的炮检距处放炮，可以常规地施行较高水平的质量控制且相对于单道系统而言费用并不算高。1980年，又出现了两个重大的技术进展，即微型计算机的问世和解释折射数据的广义互换法（Palmer，1980）的发表。这样，一方面用多道地震仪可以收集连续剖面数据，另一方面，微型计算机按GRM技术又可以迅速地处理这些数据。折射法已发展到较为精细和成熟的地步，这是解决地下水和工程研究中遇到的地质问题所必需的。多道地震仪和微型计算机也促进了浅目标反射法的发展。1981年又有了收集和处理数据的共中心点（CommonMidPoint，简记为CMP）技术。于是，从1981年起，就有两种可供工程和环境地球物理学家选择的地震方法——折射法和反射法，每种方法各有其长处。在解决某些类型的问题时，人们将明确地选用折射法，例如，确定基岩的完整性（破裂程度）、基岩顶深（若不超过30米）、冲积含水层的潜水面深（若不超过30米）以及在地下水勘探中查明火成岩和变质岩体中的掩埋断裂或剪切带。当目标物的埋深增大时，人们更乐于且常常必须采用反射法。本文首先介绍有关P波和S波波速的基本知识、产生P波和S波的方法以及在地震道上如何分离S波和P波。接着介绍地震射线的几何学。折射技术对地下界面分辨能力的强弱取决于数据的数量和质量，我们进而介绍对每一排列的多次放炮以及各折射界面的连续时距剖面曲线的构制。最后详细论述了解释折射资料的广义互换法（GRM），从中可以看到折射方法的真正威力。地震波速地震勘探的物性参数是地震波在地下各种不同单元中的传播速度。折射法中最重要的P波是一种压缩体波，其传播速度最高，质点运动方向与波传播方向平行。其次为S波，它也是一种体波，但质点运动方向与波传播方向垂直。P波是纵波，S波是横波。地震波速与物质的密度和弹性有关。P波或S波的波速V可统一地用下式表示V=(K/ρ)1/2（1）其中K是有效弹性参数，ρ为媒质的密度（Sheriff和Geldart，1982）。K是拉密常数λ和μ的函数，后者取决于物质对正应力和切应力的响应。对于P波，K=（λ+2μ）（2）而对于S波，则K=μ（3）还有其它一些弹性常数亦可用拉密常数表示，其中对地震工作最为重要的参数之一就是泊松比σ。将一个由均匀各向同性物质构成的立方体沿某一轴向拉伸，则沿其余两轴向的线度将减小，图1为二维示意图。泊松比定义为应变y与x之比：xy图1.均匀各向同性立方体的截面。实线表示产生应变前的情况，虚线为应变后的情况。可以证明，泊松比与拉密常数的关系为:σ=λ/2（λ+μ）（5）由公式spVV、2及上式容易导出1212psVV（6）兴建楼房、发电厂或其它大型建筑物之前必须事先知道泊松比，一个方便的方法就是现场测定P波和S波的波速。泊松比有助于深入了解各种岩石类型的S、P波的波速比。理论上，泊松比的变化范围是0（坚硬，刚性媒质）至0.5（流体）。地下物质泊松比的实际变化范围（Sheriff和Geldart，1982）为0.05（非常硬的岩石）至0.45（含水的松散物质）。因此，地下物质的S波波速可以从最小近于零变到最大约为该物质的P波波速的70%。经常引用的一个经验法则是：S波速为P波速的一半。这相当于泊松比σ=0.33（沉积岩的常见值）。为比较起见，我们指出，坚硬火成岩的泊松比通常约为0.25，相当于Vs：Vp=1：3（58%）。公式V=(K/ρ)1/2容易使人得出“波速与媒质密度的平方根成反比”的结论。然而，即使是初出茅庐的地球物理学家也会从野外实践中很快地了解到：密度较大的岩石其P波速实际上也越高（图2）。Gardner等（1974）给出了一个描述P波波速随密度增大的经验公式ρ=αV1/4（7）其中ρ为密度，V为P波波速，α为常数（当密度和速度分别以克／厘米3和米／秒为单位时，它的数值为0.31）Sheriff和Geldart（1983）分析过这种表现的不一致并且讨论了岩性、孔隙度、隙间流体以及埋深对P波波速的影响。除隙间流体外，其它因素对P波和S波波速的影响是类似的。由于S波（剪切波）不能在流体中传播，因此无论媒质图2P波波速与密度的关系（引自Gardner等，1974）（例如，冲积层）是干的还是被水饱和的，S波速基本上是一样的（其实，两种情况下的S波速各有不同，因为间隙充气和充水时密度有所差别）。相反，干冲积层和饱含水的冲积层中的P波波速则大不相同，这是因为P波能量既可通过冲积层基质（骨架）也可通过间隙水传播。将P波和S波的结果结合起来分析是把潜水面与其它地质特征区分开来一种特别强有力的方法。地震方法只能给出波速各异的地下单元的几何形态（轮廓）。但是，人们经常试图根据波速的不同来区分地下物质的物性。如表1所示，不同岩石类型的波速的变化范围是类似的，因而仅凭波速是无法区分岩石类型的。只有在某些特定条件下，速度信息才有可能转换为岩石类型信息。例如，当研究区的范围不大时，特定岩石类型的波速变化范围通常也比较小，于是有可能根据速度识别某些岩石类型。表1.某些岩石（引自Bonner和Schock，1981）和松散沉积物（引自Mclamore等，1978）的密度及P、S波速。震源炸药是最早使用的P波震源；直到今日仍经常使用，但为安全计常限于乡村和不发达地区。引爆炸药所释放的能量几乎全部是压缩波（P波）能量。50年代中期，当勘探浅层目标物的专用仪器生产出来之后，用以打击置于地面的金属板的大锤成了常用的震源。锤击震源费用不高、比较安全且易于沿测线移动，但传给地面的能量不多。为获得更多的能量，制造了各种落重震源，它们所释放的能量与重物的质量、下落高度以及被水力、气力还是弹力加速有关。落重源通常安装在汽车的拖车上或直接安装在汽车上。虽然不如锤击震源机动灵活，但落重震源能提供相当于小炸药量的能量（Miller等，1986）且能常规地在城区使用而毋需涉及太多的批准手续。近几年来，在浅目标反射法中经常使用的一种产生高频P波的方法是爆炸火器弹药筒（Firearmcartige），其具体设计随制作者而异（例如，Pullan和MacAulay，1987；Clark，1984）。火器弹药筒实际上是一种特殊的炸药源，主要区别在于比较易于购买、运输和贮存。在城区使用火器弹药筒较常规炸药易于接受，但仍存在安全问题。产生P波能量比较容易，而产生S波能量则困难得多。一切S波源都同时产生一定数量的P