三分量地震散射波成像在天津蓟县城市活断层探测中的应用

三分量地震散射波成像在天津蓟县城市活断层探测中的应用张保卫;沈鸿雁
【摘要】在精细解决近地表地质问题方面，三分量地震探测技术具有明显的优势。

笔者基于点散射地震-地质模型，推导出多分量散射波时距方程，在建立多分量散
射波成像原理的基础上，对天津蓟县城市活断层探测的三分量地震资料进行处理。

成像结果表明，基岩面的波组特征明显、构造内幕特征较丰富，而且基岩面附近的小断层发育。

通过研究，基本明确了该地区基岩与第四系土层的接触关系，探明了山前断裂情况和基岩面附近的地质结构特征。

%Three-component ( 3C) seismic technology to fine solve the near-surface geological problems has obvious advantages. Based on the point scattering seismic-geological model, we deduced multi-component scattering wave time-distance equation. On the basis of establishing the multi-component scattering wave imaging principle, we processed the 3C seismic data for the detecting city active fault in Jixian of Tianjin. Imaging results show that the wave group characteristics of the bedrock surface are obvious, insider structural fea-tures are rich, and minor faults near the bedrock surface are more development. Through this study, the contact relationship between the bedrock and Quaternary soil in the region is basic cleared, and the piedmont fault conditions and the geological structure of bedrock near the surface have been clear surveyed.
【期刊名称】《物探与化探》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】6页(P504-509)
【关键词】活断层;三分量地震;PP波;PS转换波;散射波成像
【作者】张保卫;沈鸿雁
【作者单位】中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北廊坊 065000;西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安 710065
【正文语种】中文
【中图分类】P631.4
活断层的概念在19世纪初提出来，近30年来，特别是近十几年来，地震预报和
工程建设的蓬勃发展，有力地推动了对活断层的广泛调查和深入研究，我国对这一问题也逐渐引起了高度的重视。

鉴于城市具有强烈的背景干扰，以及活断层延伸到第四系内部，其相对构造尺度和落差均较小的原因，抗干扰、高分辨率探测技术是城市活断层探测的关键所在。

就各类地球物理探测方法来讲，抗干扰高分辨率浅层地震勘探在城市活断层探测中具有独特的优势［1－8］，其关键技术之一是对地
震波的精细成像。

地震散射波勘探一直以来都是一个非常热门的研究领域，是一种精细解决不均匀地质问题的有效方法技术，Bancroft等人提出了基于等效偏移距的散射波成像(EOM)方法和技术［9－11］，随后，王勇、王伟、沈鸿雁、勾丽敏等在散射波成像方面做了一些有意义的研究工作，尤其是针对低信噪比、复杂地区的地震资料，取得了较好的成像效果［12－17］。

三分量地震是一种有效的浅层地质缺陷探测技术，不但信息丰富，而且分辨率较高，笔者将该技术引入到城市活动断层探测中，并采用目前较新的散射波成像技术来处
理三分量地震数据，尝试解决城市活断层探测中隐伏活动断层的精细探测问题。

1 地震散射波成像方法原理［16］
基于点散射地震—地质模型，可以表示出地震波的旅行时间与观测方式的关系，
如图1所示，设地下距地表深为z0处有一散射点，该地层的地震波传播速度为v，在地表S处有一震源，地表R处接收地震波，其中散射点在地表A的投影距震源
S为L(炮散距)，炮检距SR长为x。

2D情况下，散射波的整个传播时间可分为两
部分:一部分为入射波从震源S传播到散射点所需的时间
图1 地震散射波时距曲线
另一部分是从散射点产生的散射波传播到测线上各接收(检波)点所需的时间tR，取测线上的一点R，则有
统一式(1)和式(2)，散射波时距曲线方程可表示为
式中:tS为震源到散射点的旅行时间，tR为散射点到接收点的旅行时间，z0为散
射点距地表的视深度，v为地震波传播速度，L为炮散距，x为炮检距，(L－x)为道散距。

由于上式中只有x是变量，因此，其时距曲线方程满足双曲线规律。

不同的接收
道对应于同一个散射点来说，tS通常为常数，依赖于接收点射线路径，双曲线形
状完全取决于从散射点到接收点的射线旅行时，改变震源相对的位置将改变绕射波的垂直位置，但不会改变其形状，其形状仍然为双曲线;并且，双曲线只与上行波
有关，该原则对转换散射波和非转换散射波均适合。

此时，可得到地震散射波的正常散射时差
式中:t为散射波旅行时间，t0为散射点垂直地表地震散射波的双程旅行时间
针对地震散射PS转换波来说，由于上行波与下行波的传播速度是彼此孤立的，即下行波为P波，其速度为vP，上行波为S波，其速度为vS。

因此，地震散射PS
转换波的时距规律也满足双曲线特征，双曲线特征由S波决定，其时距曲线方程
为
则地震散射PS转换波的正常散射时差为
地震散射波成像时，可沿用传统反射波处理流程进行处理，仍然包括速度分析、NMO和叠加等环节，唯一的差别是依据的时距方程不同。

实际成像时，在点散射地震—地质模型的基础上，先将地下离散成无数个散射点，一种可行的办法是以一系列的t0时间点为纵坐标，以一系列的CMP位置为横坐
标建立散射点坐标系;然后借用常规反射波处理思想(NMO+叠加)，在炮集域，依
据散射波时距曲线，将炮散距和散检距的时差(正常散射时差)校正掉(式4和式7)，并加权叠加来自同一散射点的所有可能的地震响应能量，一种粗劣的加权办法是取所有参与叠加值的平均，便实现了该散射点的地震波成像;依次类推，直至所有的
散射点均得以成像，就实现了对整条剖面的地震散射波成像。

应该明确一点，由于单道地震记录长度有限，地下同一点的地震响应不可能在整条测线上的每个地震道上都记录到，因此，在成像时，也就没有必要对所有的地震道都进行成像搜索，否则会大大增加成像处理的时间，为了有效提高成像的运算效率，可根据不同的地震资料来定义一个成像孔径，其原理类似于常规反射地震偏移成像孔径的定义。

2 工区地震—地质情况及数据采集
工区位于天津市蓟县地区，该地区地势平坦，由于距离盘山较近，第四系的地层厚
度相对较薄。

第四系地层为一套山前冲洪积和洪坡积地层，沉积颗粒较粗。

第四系下面为一套震旦系的蓟县群老地层，主要地层为碳酸盐岩，夹杂有少量的碎屑岩和黏土岩。

第四系底界面是一个很好的波阻抗界面，由于第四系内部除潜水面外不存在明显的波阻抗差异，因此地震波到达第四系底界面时能够保证足够的能量。

为了找到基岩与第四系土层的接触面，探明山前断裂情况，以及基岩面附近的地质结构特征，在该靶区布置了一条三分量测线进行试验探测。

三分量地震资料采集采用法国Sercel 428XL遥测地震数据采集系统。

激发震源采用最大输出力6 000磅、扫面频率范围为10～550 Hz的纵波可控震源，多次覆
盖观测的采集方法采集数据，采用自然频率为40 Hz的三分量检波器接收。

通过
野外观测系统试验确定剖面采集参数为:道间距3 m，偏移距30 m，炮间距6 m，84 道接收，采样率 0.5 ms，记录长度1 s，震源扫描频率 10～120 Hz，扫描长
度 12 s。

采集记录共146炮，满覆盖次数为21次。

图2为一典型的原始单炮记录，原始记录中面波和声波较发育，是主要的干扰噪声，其能量较强，同时还伴生有50 Hz电缆波和随机噪声。

在三个分量的记录中，目的层位(基岩界面)的有效波(P波和S波)均发育，且特征明显，其中x和y分量
中P－S转换波发育于300～700 ms之间，z分量中的PP波发育于200～400 ms;从能量对比来看，z分量中的P－P能量最强，x分量中的P－SV转换波能量
次之，y分量中的P－SH转换波能量最差。

图2 三分量原始单炮地震记录
3 资料处理与分析
3.1 处理流程
由于三分量检波器可记录来自不同方向各种类型的地震波，各分量原始记录波场复杂。

此外，转换波射线路径不对称，共转换点的位置与炮检距、反射界面深度、介质中地震波传播速度等因素有关，这使得常规纵波处理技术中的许多成熟方法和技
术不适用于处理三分量地震资料。

要做好转换波成像，必须先对特殊干扰波及噪声进行压制，做好转换波波场分离与去噪处理以及转换波速度分析。

图3是针对三分量地震散射波而建立的处理流程，并与常规反射波处理流程进行比较。

散射波成像仍然沿用速度分析、叠加成像的传统处理流程思路，但在这个处理过程中，散射波成像不涉及任何限定的道集(如CMP道集、CCP道集等)选排，在炮集内处理就可以，它撇除了常规CMP速度分析得到初始速度模型为出发点的弊端，取而代之的是以孤立的共成像点(或散射点)为出发点，直接建立在散射波运动方程基础之上的速度分析技术，获取散射成像速度模型后，直接行散射波聚焦成像，并最终得到地震成像结果。

与传统反射波成像技术相比，地震散射波成像处理流程思路清晰、直接、不复杂，尤其是无需对所获得的速度模型进行反复修正，不仅比叠前偏移简单，而且也比传统的任何成像技术步骤都要少得多。

图3 常规叠后偏移成像与地震散射波成像处理流程
3.2 成像结果对比与分析
3.2.1 速度分析
跨整条测线，从中提取1个典型位置上的散射点(CSP70)速度分析结果与对应位置的共中心点(CMP70)速度分析结果进行对比分析(图4)。

对于P－P波来说，从CSP70与CMP70速度分析的结果来看(图4a、图4b)，基于反射理论的CMP速度分析结果，由于覆盖次数少，能量团较多，而基于散射理论速度分析的能量团集中。

CMP速度谱(图4b)上除100 ms和200 ms附近处的两个能量团(100 ms附近处为潜水面，200 ms附近处为基岩顶界面)与散射分析结果对应以外，出现的多个能量团与波场分离不彻底、噪声剔除不干净有关。

而基于散射波速度分析理论得到的结果信噪比较高，能量团集中(图4a)，原因是由于散射波速度分析时叠加次数大大提高了，同时因面波、声波等噪声不满足双曲时距规律而得以较好的压制。

图4 相同位置速度分析分析对比(CMP位置与CSP位置相同)
对于P－SV和P－SH波来说，同样出现类似的情况，基于反射理论的CCP速度
分析结果(图4e、图4h)，能量团较多，基于散射理论速度分析的能量团集中。

CCP70速度谱上仅有420 ms附近处的能量团与散射分析结果对应。

而在P－SH 速度谱中，能量团稍微弱，这与实际资料的信噪比低，成像时叠加次数少有关，同时因P－SH波比P－P波和P－SV波能量更弱的固有因素有关。

基于散射波速度分析理论得到的结果信噪比高，能量团集中(图4d、图4g)，其原因也是由于面波、声波等噪声不满足时距双曲线规律，同时因成像过程中，叠加次数大大提高了而得以较好地压制了这些噪声。

综上所述，在低信噪比的情况下，速度扫描过程中，由于覆盖次数大大增加了，有效地提高了有效散射波的聚焦能力，因此，散射波速度分析理论比传统的反射波速度分析理论具有更大的优势，无论是PP波，还是P－SV波、P－SH波，得到的
速度谱能量团集中(速度谱信噪比大大提高了)，得到的成像速度比传统的速度分析结果更为准确，也从另一个侧面说明，即使在波场分离不彻底，噪声剔除不干净的情况下，散射波速度分析技术可以通过提高叠加次数的手段来提高信噪比。

3.2.2 成像效果分析
图5是该测线散射波成像处理剖面，其中图5a为P－SV波成像剖面，图5b为P －SH波成像剖面，图5c为P－P波成像剖面。

从处理结果来看，三套剖面上，基岩界面的波阻特征均明显，从左至右基岩埋深逐渐增大;从同相轴的连续性来看，P －P波剖面较好，P－SV波剖面次之，P－SH波剖面最差;从信噪比和分辨率来看，P－P波剖面的信噪比最高，但分辨率不如P－SV波和P－SH波，而P－SH波剖面的信噪比最差;从内幕特征来看，P－SV波和P－SH波较丰富，而 P－P波相对较贫乏;在P－P波剖面上，受分辨率的影响，基岩界面的同相轴错断不明显，但基岩界面下方存在数条同相轴错断，这是准确判断小断层存在的重要依据，据此可追
踪出7条正断层和1条逆断层;对于P－SV波和P－SH波剖面来说，基岩下方的
信息不明显，但基岩界面的同相轴错断相对较明显，结合P－P波的信息，也可追踪出7条正断层和1条逆断层。

综合P－P波和P－S波信息，该地区小断层十分发育，基岩界面附近较破碎，但幅度较小。

图5 三分量地震散射波成像剖面
4 结论与认识
笔者应用三分量地震技术对天津蓟县城市活断层探测，并采用散射波成像技术处理三分量地震数据，通过研究，取得了如下三方面的结论和认识。

(1)三分量地震资料中含有更为丰富的地质信息，对于落差较小、埋深较浅的城市
活断层地质问题，浅层三分量地震勘探技术具有明显的优势。

(2)研究表明，地震散射波(包括散射P波和散射转换S波)的时距曲线方程满足双
曲线规律，对其成像时，可沿用传统反射波处理流程，并且无需进行任何道集选排，处理流程更简单。

(3)从天津蓟县城市活断层探测结果来看，通过纵、横波联合勘探，基本明确了该
地区基岩与第四系土层的接触关系，探明了山前断裂情况和基岩面附近的地质结构特征。

参考文献:
［1］潘纪顺，张先康，刘保金，等.城市活断层的抗干扰高分辨率浅层地震勘探研究［J］.中国地震，2003，19(2):148－157.
［2］徐明才，高景华，刘建勋，等.应用于城市活断层调查的地震方法技术［J］.
中国地震，2005，21(1):17－23.
［3］何正勤，叶太兰.城市活断层探测中的浅层地震勘探方法［J］.国际地震动态，2001，3:1－6.
［4］邓起东.城市活动断裂控制和地震危险性评价问题［J］.地震地质，2002，
24(4):601－605.
［5］赵根模，任峰.城市活断层探查与评价［J］.城市与减灾，2003，(1):22－24. ［6］方盛明，张先康，刘保金，等.探测大城市活断层的地球物理方法［J］.地震地质，2002，24(4):606－613.
［7］李庆春，刘金兰，丁梁波.浅层双分量地震在黄土公路地质缺陷探测中的应用研究［J］.地球物理学进展，2006，21(4):1266－1271.
［8］李庆春，刘永华，冯兵，等.湿陷性黄土暗穴的综合地球物理探测试验研究［J］.公路交通科技，2005，22(6):138－142.
［9］Bancroft J C，Geiger H D.Equivalent offsets and CRP gathers for prestack migration［C］//64thAnn.Internat.Mtg.，Soc.Expl.Geophysics，Expanded Abstracts，1994:672－675.
［10］Geiger H，Bancroft J C，Foltinekm D.Prestack migration of crustal data using common scatter point(CSP)migration technique［C］
//Can.Sco.Expl:Geophysics，National Convention，Expanded Abstracts，1995.
［11］Bancroft J C.The equivalent offset method of pre－stack time migration［J］.Geophysics，1998，63(6):2042－ 2053.
［12］王勇.地震成像新方法［M］.北京:石油工业出版社，2005.
［13］王伟，尹军杰，刘学伟，等.等效偏移距方法及应用［J］.地球物理学报，2007，50(6):1823－1830.
［14］沈鸿雁.地震散射波成像技术研究［D］.西安:长安大学博士论文，2010. ［15］Shen Hongyan，Li Qingchun.One new imaging method for near surface seismic survey and application［C］//Near－Surface Geophysics and Geohazards，Science Press USA Inc.，2010:62－68.
［16］沈鸿雁，张保卫，边建民.基于点散射地震—地质模型的地震散射波成像［J］.桂林理工大学学报，2014(已录，待刊).
［17］勾丽敏，刘学伟，刘西宁，等.散射波速度分析方法在南华北盆地破碎地层发育区的应用［J］.石油地球物理勘探，2012，47(6):873－881.。