淺層地震技術在濟南地下空間探測中的應用

肖關華，張偉，陳恒春，卓武，王艷君，任麗瑩

(中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司 遼河物探處，遼寧 盤錦 124010)

0 引言

近年來，城市地下空間開發利用及安全運營已經成為了一、二線城市發展的關注焦點，受到越來越多的重視，地下軌道交通、綜合管廊建設、海綿城市規劃等均與地下空間規劃、利用密不可分[1]。濟南市作為國家新舊動能轉換先行區，將實施北跨東延、攜河發展，建設現代綠色智慧城市，為保障對地下空間安全、合理的開發利用，需要用先進的地質方法研究透徹地層結構和斷裂分布[2]，為智慧城市建設提供真實可靠的技術指導。

目前常用的地下空間探測手段主要有淺層地震勘探、微動探測、探地雷達、高密度電法、等值反磁通瞬變電磁法、多參數鉆探、水工環地質調查等。地震勘探作為油氣勘探工程中最重要的方法，具有成像精度高、分辨率高、探測深度大等優點，但要把該方法應用到環境復雜、各種干擾較強的城市內來探測第四系松散沉積層內部落差較小的地震活斷層，還需要解決一系列的技術問題，主要包括城市環境條件下地震波的激發和接收、觀測系統的設計以及資料處理問題等[3]。依托濟南城市地下空間開發利用綜合地質調查項目，通過淺層高密度二維地震觀測方案設計、激發和接收參數優選以及淺層高信噪比處理技術的應用，探討淺層地震在城市強干擾背景條件下獲取高分辨率反射成像的技術方法，印證項目探測方案的有效性和處理技術的適用性。

1 高密度地震采集方案

圖1 淺層地質模型Fig.1 Shallow geological model map

工作區位于濟南北部，緊鄰黃河，屬于濟北地熱田范圍，地熱資源豐富。從地熱田內各地熱鉆孔揭露的地層分析,該地熱田熱儲主要為奧陶系灰巖裂隙巖溶含水層,蓋層為第四系、新近系、二疊系和石炭系[4]。以JR-2地熱井為參考，結合濟南北部地區第四系厚度總體由南向北、由西向東逐漸增厚的分布特點，認為部署測線Q+N地層深度小于500 m。根據搜集的濟北地熱地質圖略圖、地質剖面圖、地層柱狀圖、部署測線位置圖結合地震成果剖面建立可以體現出該地區淺層近地表構造的典型地球物理模型(圖1)，選取代表性位置作為論證點，針對目的層深度和地質任務展開科學的參數論證工作。合理的觀測系統參數是搞好淺層高分辨率地震數據采集的關鍵[3]。

1.1 道距分析

道距是淺層地震勘探中的一個重要參數,它的大小不但影響人們感興趣的淺層地震資料的橫向分辨率，同時也跟地震施工效率和成本投入有關，太大或太小都不可取，應針對項目實際情況進行科學選擇。一般來說,道距的選擇主要遵循以下幾方面的原則：有利于有效波的對比；考慮對反射界面進行充分采樣，在傾角較大或有斷裂時，應小一些；滿足橫向分辨率的要求；滿足最高無混疊頻率的要求[5]。根據經驗法則，為了滿足橫向分辨率的要求，每個優勢頻率的波長至少取2個采樣點；根據空間采樣定理，空間采樣間隔必須小于視波長的一半，在進行參數論證時，理論上道距應滿足：

ΔX≤Vrms/(4×fmax×sinθ) ,

(1)

ΔX≤Vint/(2fdom) ,

(2)

式中:ΔX為道距；Vrms為均方根速度；fmax為反射波最高頻率；θ地層傾角；Vint為目的層的上一層層速度；fdom為目的層反射波主頻。根據公式，淺層地層反射波波速相對低而主頻高，對采樣密度要求更為嚴格，為了保障采集效果，選擇小道距更有利提高資料橫向分辨率和落實構造的細節特征。根據該地區論證點的地球物理參數經過理論公式計算，ΔX應不大于6 m。

為了滿足最高無混疊頻率要求，保證有效信號的充分采樣，實現對面波、淺層折射等規則干擾的采樣不污染有效信號，我們通過正演模擬進行效果分析。分別采用10 m和5 m道距正演模擬生成不同單炮記錄，并對其進行F-K頻譜分析(圖2)，結果表明采用5 m道距進行采集時，單炮記錄中地震信號采樣充分，沒有出現空間假頻，10 m道距采集時90 Hz以外出現了假頻，因此道距選取在 5 m 左右較為合適。

圖2 不同道距正演模擬單炮F-K譜分析Fig.2 F-K spectrum analysis of single gun in forward modeling with different trace distances

綜合以上分析，本次城市地下空間探測，淺層地震勘探道距選擇應不大于5 m。

1.2 最大炮檢距分析

最大炮檢距作為淺層地震觀測系統重要的采集參數之一，它的選取需要保證深層信號的有效接收，深層能量的有效收斂，能滿足疊前偏移處理要求。參數論證時重點考慮以下幾方面的因素：

1)考慮目的層埋深：最大炮檢距應近似等于目的層的埋深，Xmax≈H(Xmax為最大炮檢距，H為主要目的層埋深)；

2)滿足速度分析精度誤差小于6%，動校拉伸產生的畸變小于12.5%的需求；

3)考慮波動方程正演波場快照分析和波動方程照明分析。

通過選取典型的論證點進行理論計算，該地區滿足速度分析精度誤差小于6%和動校拉伸畸變小于12.5%(圖3)所需最大炮檢距范圍：326～516 m。

基于地球物理模型，選取構造深部位進行正演模擬，從波場快照和正演模擬單炮(圖4)可以看出，為保證新近系地層獲取有效、連續反射記錄，需要最大炮檢距范圍為：531～543 m。采用道距5 m、炮點距5 m、中間放炮的方式，分別對最大炮檢距360、450、540、630 m進行二維波動方程照明分析(圖5)。從照明結果可以看出：隨著炮檢距的增大，新近系地層照明強度變大，當最大炮檢距達到540 m時，能夠保證目的層的能量聚焦和照明強度，繼續增大炮檢距意義不大。因此從波動方程照明分析角度最大炮檢距在540 m左右就可以滿足地質任務要求。

綜合以上論證分析結果，結合該地區目的層最大埋深考慮，最大炮檢距最終選擇538.5 m。

圖3 速度分析精度(a)和動校拉伸畸變分析(b)Fig.3 Analysis chart of velocity analysis precision(a) and dynamic correction stretching distortion(b)

圖4 波動方程正演波場快照分析Fig.4 Wave field snapshot analysis of wave equation forward modeling

a—炮檢距360 m；b—炮檢距450 m；c—炮檢距540 m；d—炮檢距630 ma—offset 360 m；b—offset 450 m；c—offset 540 m；d—offset 630 m圖5 不同炮檢距波動方程照明對比Fig.5 Illumination comparison of wave equation with different offset

1.3 覆蓋次數

基于多次覆蓋的水平疊加技術是壓制干擾噪聲的最好方法[6]，高覆蓋次數能夠提高資料的信噪比，改善資料成像效果，同時高覆蓋也帶來了地震采集成本和時間的增加，如何選取合理的覆蓋次數需要綜合各方面的因素進行考慮。項目覆蓋次數的選擇參考相似區寧津重點調查區二維地震勘探資料采集效果，該地區采用覆蓋次數為48次，主要目的層可有效識別和連續追蹤，斷點清晰，建議本次選用60次覆蓋次數以上進行采集即可保證資料品質。

1.4 數據采集參數

項目施工區域附近村鎮較多，人文活動頻繁，干擾源較多，測線布設位置地表大部分為柏油路面，復雜的施工環境，對地震勘探儀器設備、資料品質提出了相應的要求，例如震源應盡可能綠色、環保[7]，地震資料盡可能減少空道，成果資料高信噪比等。為了保證激發效果，獲得高質量的探測數據，本次淺層地震勘探工作中，選用AHV-362型可控震源進行激發，通過信號相關技術壓制隨機干擾[8]，通過野外試驗，選取合適的激發因素：掃描頻率范圍在6～100 Hz，掃描時間長度為8 s，輸出力參數設置為65%，單臺單次激發。

在城市開展淺層地震勘探，布線是比較困難的，采用無線網絡替代傳統地震儀的傳輸電纜，不僅可以保證人員和設備安全[7]，而且能夠提高工作效率、保障數據的完整性。項目采用了先進的無線節點儀器SmartSolo進行采集(采樣率1 ms，記錄長度2 s，記錄格式SEG-D)，這種自由作業方式更適合地下空間探測項目，野外每一道布設完成后，即刻開始連續記錄，實質上在設計的接收段外形成了額外的接收道，增大了地震采集的炮檢距，提高了資料的實際采集覆蓋次數，可進一步提高成果資料的信噪比。

綜合以上分析、論證，考慮到本次采集主要落實構造范圍和斷裂展布位置，取全、取準各個反射目的層，要求資料具有較高的信噪比，故在論證結果的基礎上對觀測系統參數進一步強化，道距由論證結果5 m變為3 m，通過提高空間采樣密度來提高資料縱橫向分辨率、落實構造細節特征。最終確定野外數據采集觀測系統如下：道間距3m，炮間距3m，最小偏移距1.5m，最大偏移距538.5m，接收道數360道，覆蓋次數180次。

2 高精度地震資料處理技術

針對地震信號的非線性、時變性，項目資料處理主要采用以常規處理技術為基礎的針對性處理技術，來提高目標區域構造成像，準確刻畫地層形態。處理流程重點包括靜校正、疊前精細去噪、高分辨率處理、高精度速度分析等主要環節。

2.1 靜校正

解決靜校正問題是提高淺層資料處理效果的基礎[9]，針對項目淺層資料特點，采用多種靜校正手段相結合的方式進行計算，消除靜校正影響，即先建立成像基準面，用平滑地表代替真實地表作為偏移成像基準面；接著應用野外靜校正量，消除近地表低降速帶的影響，解決長波長靜校正問題；然后在折射波靜校正基礎上進行初至波剩余靜校正，消除中、短波長靜校正量及高頻靜校正量；最后進行反射波剩余靜校正，精細疊加速度分析、優化模型道，提高剩余靜校正精度。經過綜合靜校正處理的數據，淺層有效反射同向軸更加連續，同層的相位一致性更好，整體成像效果較好(圖6)。

圖6 靜校正前(a)后(b)剖面對比Fig.6 Comparison of profile before (a) and after (b) static correction

2.2 疊前精細去噪

合理地使用去噪技術是提高地震信號分辨率的基礎[10]。噪聲對地震資料的高頻端的影響相對突出,而高頻信號對淺層高分辨率處理又是至關重要的[11]。針對淺層采集地震原始資料信噪比低、噪聲壓制困難，尤其面波近道發育，線性特征不好，易產生空間假頻等特點，提出綜合壓噪方案，即除采用常規的去噪手段外，擬采用小波特征值法、譜比法等手段壓制異常噪聲和低頻面波干擾，壓噪的總流程如圖7所示。

圖7 去噪總流程Fig.7 General flow chart of denoising

不同噪聲在不同的域中有著不同的特點，與有效波的差別也不同，地震數據在不同的處理階段通常有不同的需要，我們有必要在資料處理過程中根據一定的準則和技術將數據變換到不同的域中進行處理[12]。文中通過炮域和十字交叉域內多種去噪手段的結合，在保持地震波運動學、動力學特征的前提下，實現了去偽存真，保真保幅壓制噪聲，提取有效反射信息的同時突出弱反射信號，保證去噪效果。通過后續去噪前后的剖面(圖8)對比可以看出，大部分噪聲干擾被分離出去，淺層有效反射波同相軸變得更清晰、連續性更好。

2.3 高分辨率處理技術

高分辨處理是淺層地震勘探的重要步驟。地震剖面的分辨率與地震子波和信號頻帶有密切聯系，子波越接近零相位，地震頻帶越寬，可以得到分辨率越高的剖面。提高分辨率技術主要對疊前和疊后數據進行子波處理[13]，反褶積是地震資料最常用和最重要的處理方法之一，它可用于疊前，也可用于疊后。工區地震資料信噪比不高，前面進行了精細去噪處理，面波及噪聲得到了有效的壓制，有效信號保留良好。為了提高地震資料的分辨率，實現地震子波零相位化，寬頻特性，橫向穩定性好；剖面波組特征清楚，追蹤、對比性強，振幅屬性可靠，擬采用多種反褶積技術相結合的處理方法，具體流程見圖9。

圖8 去噪前(a)后(b)剖面對比Fig.8 Comparison of profile before (a) and after (b) denoising

圖9 提高分辨率處理流程Fig.9 Processing flowchart of improve resolution

地表一致性反褶積可以消除地表條件對地震資料的影響，改善資料的信噪比，較好地解決共炮點和共檢波點域內的耦合響應差異問題[14]，在一定程度上改變相位的不穩定性，但是傳統的地表一致反褶積仍然會受到噪聲的不利影響。為了減輕這種噪聲的影響，使用效果更佳的穩健地表一致性反褶積對含噪的地震數據進行處理，產生更多的相位穩定的數據。穩健地表一致性反褶積通過檢測離群值并在迭代期間權衡它們，產生具有反褶積算子的數據，該算子比噪聲更多地受到信號的驅動，將從左側的相位不穩定移動到右側更穩定的相位。檢測到異常值時，它們會在未來處理中被標記和刪除或編輯，穩健地表一致性反褶積既可以用于創建穩健的表面一致性振幅歸一化，又可以提高陸地數據的相位穩定性，使其更適合地層解釋、反演、AVO或方位角研究。

2.4 高精度速度分析

在地震資料處理中，速度是最重要的基礎數據，如何建立正確的偏移速度場，是實現高質量疊前深度偏移成像的關鍵[15]。淺層地震處理對速度精度要求更高，速度不精確，會造成成像變差，尤其對淺層影響較大，通常采用常速掃描、變速掃描、分偏移距掃描來建立精確速度場，對巖性變化較快地區加密速度點，并結合鉆孔、重、磁、電等資料進行速度場優化。針對淺層地震資料的特殊性,我們將數據分為近偏、中偏、遠偏3部分，分別進行速度拾取，最終整合速度譜，力求利用不同偏移距條件下的數據中的有效信號精細描繪速度場。通過速度場優化來改善剖面成像效果，偏移速度場優化前，剖面畫弧現象嚴重，構造不清，層位混亂，偏移速度場優化后，剖面得到有效歸位，構造清晰，層位分明(圖10)。

圖10 速度場優化前(a)后(b)剖面對比Fig.10 Comparison of profile before(a) and after(b) velocity field optimization

3 應用效果

本次勘探通過采集處理一體化實施，“高密度二維地震采集技術”與“高精度淺層地震處理技術”的應用，獲取了科學的地震采集技術方案(炮點距3 m、道距3 m，滿覆蓋180次)和高品質的地質剖面(圖11)。結合地質任務對勘探成果進行初步的解釋，從解釋成果剖面上可以看出，剖面內主要發育兩組反射波，即TQ波和TP波，根據地層速度結合地質圖件(濟北地質圖、地層柱狀圖等)構造解釋以及JR-2地熱井資料，我們標定TQ波為第四系頂界反射波，TP波為古生界二疊系頂界反射波，反射波特征明顯，可連續追蹤；受北部齊河—廣饒深大斷裂影響，剖面內深部斷裂較發育，解釋成果顯示主要是NNE、NNW向斷裂，斷裂構造特征和斷點位置清楚，淺部，主要目的層第四系、新近系內發育花狀斷層，通過以上的分析，此次勘探獲得的地質成果與濟北地區地質特征基本吻合，很好地完成了地質任務。

4 結論

針對城市地下空間探測，總結幾點如下：

1)淺層高密度地震勘探技術在勘探成本、適用性上來說是一種非常合適的技術。在勘探效果的保障上，合理的激發接收方式、小炮道距、高覆蓋的采集方案論證和針對性處理技術研究等幾個方面是我們應該重點關注的。

圖11 最終處理偏移剖面Fig.11 Final processing migration profile

2)在對城市地下空間地質目標的最終解釋認識上，應該結合該地區的其他相關非地震資料進行綜合解釋，排除多解性，保證對該地區的地層、構造的認識能夠準確指導項目的后續工作。

3)本次高密度地震采集采用了無線節點地震儀器，其能夠很好地適用于城市復雜地表環境，快速、高質量地形成排列，保障采集資料的完整性。未來，無線節點儀器、寬頻激發技術和高密度采集技術的結合應用會在城市地下空間探測中發揮重要作用，保障勘探效果的前提下實現經濟技術一體化，是今后淺層地震勘探發展的一個很好的方向。