（固体地球物理学专业论文）城市活断层高分辨率地震勘探研究.pdf

摘要 简要回顾了地震勘探的发展历史，对地震勘探的发展动向进行了 展望，认为2 1 世纪地震勘探将立足于三维地震勘探，向高分辨率地 震勘探方向发展。同时，通过对国内外大量地震震例研究表明，巨大 的城市地震灾害主要由隐伏于城市下边的活动断裂产生的地震造成 的，论述了探测城市活断层的必要性、紧迫性和可行性。结合城市活 断层的概念、特点以及城市环境条件下开展地震勘探的诸多不利因 素，引出高分辨率地震勘探是目前探测城市活断层较为有效的地球物 理勘探方法。城市活断层高分辨率地震勘探是一个复杂的系统工程。 6 括激发技术、接收技术、观测系统、地震数据处理与解释技术等等夕 一 在城市活断层高分辨率地震勘探的激发技术环节，进行了可控震源、 夯源、锤击震源、枪震源以及炸药震源等震源的对比试验研究，论述 了各种震源在城市活断层探测中的应用特性、效果及其局限性f 在城 市活断层高分辨率地震勘探的接收技术环节，根据其幅频特性，进行 了1 0 0 h z 、6 0 h z 和4 0 h z 的检波器对比试验，对检波器的耦合技巧和 方法、组合条件进行了阐述，指出高频检波器是城市活断层高分辨率 r ，一 检测的首选检波器；) 在城市活断层高分辨率地震勘探的观测系统环 节，对道间距、偏移距、最大炮间距、最小炮间距等与分辨率的关系 进行了阐述，对采用l m 、2 m 、3 m 道间距进行了对比试验研究；剖 ， 析了s h 波的特点，进行了s h 波和p 波勘探的对比试验研究。( 对应 用s h 波勘探城市活断层进行了有益的探索：对城市活断层高分辨率 地震勘探数据处理环节，从抗干扰、高分辨率出发，研究了数字滤波 技术、子波长度压缩技术、高精度速度分析技术以及偏移处理技术等 等，对一维带通数字滤波、二维f k 滤波、叠前尖脉冲反褶积技术、 叠后谱白化技术，以及几种偏移技术进行了理论分析，并给出了应用 、 ? 实例j 最后，给出了上述研究成果在福州城市活断层高分辨率地震勘 探的一个应用实例，并且分析了日前城市活断层高分辨率地震勘探存 在的问题，并对将来城市活断层高分辨率地震勘探进行了展望。 收 关键词： 城市活断影，高分辨雩缸震勘探频谱激发、接 数据处疽观测系统子波速度偏移叠加时间剖面 h i g h - r e s o l u t i o n s e i s m i ce x p l o r a t i o no fu r b a na c t i v ef a u l t s 1 1 h i s t o r yo fs e i s m i ce x p l o r a t i o ni sb r i e f l yr e v i e w e da n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n tf o r s e i s m i ce x p l o r a t i o ni se n v i s i o n e d i ti sa n t i c i p a t e dt h a ts e i s m i ce x p l o r a t i o ni nt h e2 1 ”c e n t u r yw i l l b eh a s e do nt h r e e - d i m e n s i o n a le x p l o r a t i o na n dd e v e l o pi nt h ed i r e c t i o no fh i g h - r e s o l u t i o n e x p l o r a t i o n m e a n w h i l e r e s e a r c ho fn m c r 邮e a r t h q u a k e e v e n t sa th o m ea n da b r o a ds h o w st h a t t r e m e n d o u su r b a ne a r t h q u a k ed i s a s t c r sa r em o s t l ya t a i b u t e dt oe a r t h q u a k e sc a u s e db ya c t i v ef a u l t s h i d d e nu n d e rm e t r o p o l i t a na r e a s 1 1 ”e x p l o r a t i o no f u r b a na c t i v ef a u l t si sd e s c r i b e da sn e c e s s a r y , u r g e n ta n dl e a s i b l e i nv i e wo ft h ec o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i c so fu r b a na c t i v ef a u l t sa n dt h e u n f a v o r a b l ef a c t o r so fs e i s m i ce x p l o r a t i o nt m d c ru r b a ne n v i r o n m e n t , h i g h - r e s o l u t i o ns e i s m i c e x p l o r a t i o n i sc i t e da sa l le f f e c t i v e g e o p h y s i c a le x p l o r a t i o nt e c h n i q u e f o rt h e p r e s e n t - d a y e x p l o r a t i o no fu r b a na c t i v ef a u l t s h i g h 嘲o l u t i o ns e i s m i ce x p l o r a t i o no f u r b a na c t i v ef a u l t si sa s o p h i s t i c a t e da n ds y s t e m a t i cp r o j e c t w h i c hi n v o l v e se x c i t a t i o nt e c h n i q u e ，r e c e i v i n gt e c h n i q u e ， o b s e r v a t i o n a ls y s t e m ，s e i s m i cd a t ap r o c e s s i n ga n di n t e r p r e t a t i o n i nt h ee x c i t a t i o np h a s ef o r h i g h - r e s o h t i o n s e i s m i ce x p l o r a t i o no fu r b a na c t i v e f a u l t s 。c o m p a r i s o n s a r em a d eb e t w e e n c o n t r o l l e ds 0 1 i e ，t a m p e rs o u r c e ，h a m m c y s o u r c e ，g u ns o l e ea n de x p l o s i v es o u r c a ：1 h ep r o p e r t i e s ， e f f e c t sa n dl i m i t a t i o n so f t h e s es o u r c 豁i n a p p l i c a t i o nt ot h ee x p l o r a t i o no f u r b a na c t i v ef a u l t sa r e d i s c u s s e d a sf o rt h e c e i v i n gt e c h n i q u e , c o m p a r i s o n sa r em a d eb e t w e e nd e t e c t o r so f1 0 0 h z , 6 0 h za n d4 0 h za c c o r d i n gt ot h e i r a m p l i t u d ef r e q u e n e yc h a r a c t e r i s t i c s a n da ne x p o s i t i o no f t e c h n i q u e sf o rd e p l o y m e n t ( c o u p l i n g ) a n dc o m b i n a t i o no fd e t e c t o r si sg i v e i li ti sc o n c l u d e dt h a t h i g h - 船q u e n c yd e t e c c o r sa r et h eo p t i m a ld e t e c t o r sf o rh i g h - r e s o l u t i o ne x p l o r a t i o no fu r b a na c t i v e f a u l t s a sf o rt h eo b s c r v a t i o n a ls y s t e m , a ne x p o s i t i o no ft h et e l a t i o u s h i pb e t w e e nr e s o l u t i o na n d g r o u pi n t e r v a l o r s e t , m a x j m n ms h o r - d e t e c t o rd i s t a n c ea n dm i n i m u ms h o t d e t e c t o rd i s t a n c ei s g i v e n c o m p a r i s o n sa r em a d eb e t w e e ng r o u pi n t e r v a l so fl m , 2 m a n d3 m s h - w a v e p r o p e r t i e sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r i s o n s a r em a d eb e t w e e ne x p l o r a t i o n su s i n gs hw a v ea n dpw a v e a b e n e f i c i a lp r o b ei sm a d ei n t ot h ee x p l o r a t i o no fu r b a na c t i v ef a u l t su s i n gs hw a v e f o rd a t a p r o c e s s i n g , d i g i t a lf i l t e r i n g , w a v e l e tl e n g t hc o m p 聘s s i o r bh i g h a c c u r a c yv e l n e i t y a n a l y s i s a n d m i g r a t i o nt e c h n i q u e sa r es t u d i e df r o mav i e w p o i n to fa n t i i n t e r f e r e n c ea n dh i g hr e s o l u t i o n a t h e o r e t i c a la n a l y s i si sc a r r i e do u tw i t hr e s p e c tt ol - d b a n d - p a s sd i g i t a if i l t e r i n e , 2 - df kf i l t e r i n g , p r e s t a c ks p i k ep u l s ed e c o n v o l u t i o r bp o s t - s t a c ks p e c t r u mw h i t e n i n ga n dm i g r a t i o nt e c h n i q u e s s o m e a p p l i c a t i o n c a s e sa r es h o w ni nt h ea r t i c l e f i n a l l y , a na p p l i c a t i o nc a s eo f t h ea b o v er e s u l i si n t h eh i g h - r e s o l u t i o ns e i s m i ce x p l o r a t i o no fa c t i v ef a u l t s i nf u z h o uc i t yi s g i v e r bt h ep r o b l e m s e x i s t i n g i n p r e s e n t - d a ys e i s m i ce x p l o r a t i o i lo fu r b a na c t i v ef a u l t sa r ea n a l y z e d , a n df u t u r e h i g h - r e s o l u t i o ns e i s m i ce x p l o r a t i o no f u r b a na c t i v ef a u l t si se n v i s i o n e d k e yw o r d s ：u r b a n a c t i v e f a u l t , h i g h - r e s o l u t i o n r e c e i v i n g ，d a t ap r o c e s s i n g ，o b s e r v a t i o n a ls y s t e m ， s e c t i o n s e i s m i c e x p l o r a t i o n , s p e c m a n ，e x c i t a t i o n , w a v e l e t ，v e l o c i t y , m i g r a t i o n , s t a c k e dt i m e ； l f f 致谢 本研究是在中国科学技术大学地球与空间科学系傅容珊教 授、中国地震局地球物理勘探中心主任张先康研究员的精心指导 下完成的。在我读硕士研究生期间，他们花费了很大的心血和精 力，在此谨向他们表示衷心的感谢。此外，中国科学技术大学地 球与空间科学系党支部书记施行觉教授、中国地震局物理勘探中 心综合方法研究室主任段永红高工和工程地震与工程物探研究 室付主任刘保金高工，他们为本研究的顺利实施，在管理、人员、 经费、设备等方面给予了大力支持。福建省地震局为本研究提供 了野外试验的场地条件，并给予了大力支持和紧密配合，使得野 外数据采集得以圆满完成。论文研究过程中，中国地震局地球物 理勘探中心主任助理王夫运博士、杨卓欣高工、刘志高工、赵成 斌高工、杨健高工等，提出过许多好的建议，并在资料常规处理 方面给予了很大的帮助。张建狮高工、王帅军工程师、袁洪克工 程师、田晓峰助理工程师对本研究的图件编排给予了帮助。在此 一并致谢。 最后，我要特别感谢我的夫人张丽华女士，在我读硕士研究 生期间，她做出了很大的牺牲，对我全力支持，使得我的学业得 以顺利完成。 引言 地震勘探自1 9 2 3 年诞生以来，焕发着勃勃生机，被广泛应用于石 油、天然气、煤田以及工程建设中，其内容变得日益丰富和精深，特 别是近几年来，地震勘探技术方面发生了惊人的变化，出现了很多新 的方法。在进行我们的研究之前，对其发展做一个简略的回顾，了解 其主要的思想和脉络，尤其是地震勘探的近期发展趋势，对我们的研 究无疑有着积极的推动和启发。 地震勘探是地球物理勘探中重要的方法之一，是天然地震学的产 物，由天然地震学发展而来。正如所有的地球物理勘探方法都是以研 究岩石的某一种物性为基础的，地震勘探所依据的是岩石的弹性，研 究的基本方法是用炸药或非炸药震源人工激发地震波，而沿测线的不 同位置用地震勘探仪器接收地震波，通过分析地震波在介质中传播 时，其路径、振动强度和波形随介质的弹性性质及几何形态的变化规 律，来定位矿藏( 包括油气、矿石、水、地热资源等) 、确定考古位 置以及获得工程地质信息。 地球物理勘探最初从扭称开始，大约在1 8 8 8 年由b a r s o nr o l a n d v o ne o t v o s 发展起来。至于地震波的理论得追溯到1 6 7 8 年罗伯特 虎克发表的虎克定律，但是，大部分的地震波理论是在1 9 世纪以后 发展起来的，b a r o nc a u c h y 写了关于波传播的论文，s pp o s s i o n 于 1 8 2 8 年在理论上指出了p 波和s 波的单独存在，c g k m o t t 于1 8 9 9 年发表一篇论文，讨论了地震波的传播及其反射和折射，l o r d r a y l e i g h ( 1 8 8 5 ) ，a e h l o v e ( 1 9 2 7 ) 及r s t o n e l e y ( 1 9 2 4 ) 则分别 研究了以他们名字命名的面波理论。 1 8 4 8 1 8 5 1 年，r o b e r tm m l e t 开始着手地震波的试验研究，1 8 9 8 年m i l n e 首次提出利用地震仪器确定地下条件的可能性，l u d g e r m i m r o p 于1 9 1 4 年在德国设计了一种地震仪，使用这种仪器他可观测 到炸药震源产生的波，其测量精度使地震勘探成为可能( s h e f i e & g e l d a r t ，l r ，19 9 5 ) 。 地震勘探投入使用是在第二次世界大战期间，德国和同盟国用观 测地震的方法测定敌方重机枪阵地和炮位( 后座力产生地震波) 。2 0 世纪2 0 年代中，地震勘探的主要方法是折射波法，它是一种十分粗 糙的方法，只能得到少数几个层的信息，并且误差很大。3 0 年代， 出现了带自动增益控制及r c 电路滤波器的地震仪( 1 9 2 3 年) ，并且 开始使用组合检波技术( 1 9 3 3 年) ，使反射波法地震勘探达到了一个 比较成熟的阶段。从浅至深得到多个反射信息，实现了地震勘探的第 一次飞跃。5 0 年代出现了多次覆盖技术( m a y n e s ，1 9 5 0 ) ，生产出模拟 磁带记录仪( 1 9 5 2 年) ，使地震剖面的信噪比大幅度提高，实现了地 震勘探的第二次飞跃，我国的地震勘探工作正是这时候起步的。在这 个阶段中，出现反褶积技术及速度滤波技术( 1 9 6 1 年) ，数字地震仪 在美国于1 9 6 3 年制造出来，加快了数字处理的步伐，这算是第三次 飞跃。7 0 年代初，出现了偏移归位成像技术，使地震勘探的勘探精 度又大大地提高一步，实现了第四次飞跃。7 0 年代后期，三维地震 勘探的发展使地震勘探的精度又迸一步提高，人们终于得到了地下勘 探对象详细的三维成像数据立方体( 1 9 7 6 年) ，实现了第五次飞跃( 李 庆忠，1 9 9 3 ) 。8 0 年代初，发明横波震源并做了有意义的横波勘探试 验，其主要目标在于油气探测和岩性识别，联合使用横波和纵波进行 勘探能比只使用纵波提取出更多的地质信息。8 0 9 0 年代，地震勘 探从各个领域向深度进军，仪器制造方面各种多道的、遥测地震仪和 精密的野外采集站，可控震源方面实现了野外实时相关的高速运算， 多种多样的子波处理、反褶积技术及千变万化的波动方程偏移日臻完 善，地震勘探已形成一个完整的工业体系。 2 1 世纪，地震勘探要发展成什么样子呢? 荷兰的a j b e r k h o u t 教授在他的地震勘探工业的发展趋势一书中指出，地震勘探要实 现四个方面的转变，即：从二维到三维；从叠后到叠前；从各 向同性到各向异性；从单一到综合( a j b e r k h o u t ，1 9 9 2 ) 。国内的 李庆忠教授在他的走向精确勘探的道路一书中说，“根据国内外 发展动向，从技术上来说，我认为今后地震勘探立足于三维地震以及 高分辨率勘探两大支柱上”。他还指出，“今后的主要任务恐怕首先是 提高地震勘探的分辨率”( 李庆忠，1 9 9 3 ) 。虽然地震勘探在油气勘探 方面的理论和应用工艺已日趋完善，但是它在浅层地质调查方面的应 用，目前还处于初级阶段。在干扰严重的环境下解决小的地质构造方 面王海明、徐明才等人做了有益的尝试，而在城市背景下活动断层的 地球物理探测方面目前还处于探索阶段。 地震活断层是指距今1 0 万年以来活动过、现今仍在活动，并在 未来仍可能活动，并且有发生中强以上地震能力的活断层，包括出露 地表。被松散沉积物覆盖或被水体覆盖的断层。所谓城市活断层是指 城市下面或城市周边，地震发生时对城市构成威胁、造成破坏的地震 活断层。地震活断层探测是指利用先进的技术手段，确定地震活断层 准确的空间位置及深部的结构，以及获取地震活断层有关晚第四纪滑 动类型、滑动速率、地表破裂型地震的复发模型等定量参数的过程。 浅层地球物理探测的方法主要有：地震勘探、地质雷达、高密度电法、 高精度重力测量、瞬变电磁( t e m ) 法、井间电阻率层析成像、井间 电磁波层析成像等。 通常情况下，第四系松软地层未胶结成岩，有些层间波阻抗差异 明显，有些差异较小，波组抗差异小的界面产生的弱反射信号易被背 景噪声掩盖，记录信噪比低。另一方面，城市活断层探测的目的层深 度浅，地质异常体尺度小，要求划分的地层详细，第四系地层在沉积 过程中，沉积条件复杂，薄层、夹层和互层等地质现象很多，各个不 同地层界面产生的反射波相互干涉叠加形成复合波，再者，活动断裂 延伸到第四系内部沉积物后，相对落差都较小，只有在较高分辨率和 信噪比的时间剖面上才能保证断层两侧地层产生的反射波组能进行 正确追踪，可靠地确断层的位置和产状。我国许多大中城市都位于第 四纪松散沉积物覆盖区，城市环境较为复杂，且断层在地表出露不明 显。城市环境中有强烈的背景干扰，场地条件的强非均匀造成地震波 的收发条件差，建筑物密集而使测线布设受限制、地形地貌的人为改 动造成断层的隐蔽性强。因而，城市高分辨率地震勘探除了震源干扰 波( 包括声波、地滚波、绕射波、折射波、直达波、侧面波、多次波 和随机干扰波等) 外，还存在着独特的外界干扰波，在大型厂矿以及 江河附近相干干扰波尤其严重；当地震测线通过高压输电线路以及地 下电缆时，检波器电缆会感应5 0 h z 的电压，形成强烈的工业电干扰； 城市浅层反射地震勘探还会遇到地下管道和地面接收耦合等问题，小 型地下管道对高频地震波产生绕射波，大型地下管道则对高频地震信 号产生屏蔽作用。当地震测线通过坚硬的水泥地或柏油沥青路面时， 就会遇到牢固设置检波器的困难( 王庆海、徐明才，1 9 9 1 ；王振东， 1 9 8 8 ；徐明才，1 9 8 9 ) 。 上述诸多不利因素使得常规的地震勘探方法在城市活断层探测中 的应用面临着许多必需解决的技术难关。因而，抗干扰、高分辩率是 城市活动断层探测的关键所在，深入研究高分辨浅层反射地震勘探的 震源激发、接收、观测系统、数据采集和处理解释等环节，对城市活 动断层探测具有重大意义。 地震是人类面临的最严重的突发性自然灾害，而巨大的地震灾害 主要集中在城市地区，例如，1 9 0 6 年美国旧金山地震和1 9 2 3 年日本 关东大地震使所在地旧金山和东京都都夷为平地；1 9 7 6 年唐山 地震使唐山市顷刻间成为废墟，2 4 万余人丧生，直接经济损失达1 0 0 亿美元；1 9 9 4 年美国北岭地震造成的直接损失达2 0 0 亿美元；1 9 9 5 年日本阪神地震使大阪和神户地区的地面建筑、公共交通设施等遭到 了致命性的创伤，5 千余人死亡，2 万7 千余人受伤，直接经济损失 达1 0 0 0 亿美元：1 9 9 9 年土耳其伊兹米特地震、1 9 9 9 年台湾集集地震 也均造成了巨大的人员伤亡和财产损失。因此，减轻地震灾害已成为 世界各国政府最迫切的需求。 国内外的大量地震震例研究表明，巨大的城市地震灾害主要由活 动断裂产生的地震造成的，2 0 世纪世界死于地震的人数达1 0 0 余万 人，其中绝大部分居住在有活动断裂的城市中。随着科学的发展和技 术的进步，大部分现代城市建筑和重要生命线工程考虑了抗震因素， 它们抵御地震灾害的能力大大增强，但活动断裂及其邻近地带仍然是 城市地震的重灾区分布区，人类目前尚无法阻止活动断裂对地面设施 的直接破坏；发震活动断裂及其附近区域的灾情和人员伤亡明显大于 城市的其它区域，例如，1 9 9 5 年日本阪神地震的重灾带集中在其发 震的野岛断层、会下山断层和深户西宫断层沿线；1 9 9 9 年土耳其伊 兹米特地震的重灾带集中在安那托里亚断裂西段的北分支上，宽度仅 3 5 米左右。可以肯定，未来世界绝大多数大地震的震中还会在世界 各地的发震活动断裂带上。 我国是世界上大陆地震最强烈的国家，历史上有许多大中城市： 例如北京、天津、西安、银j i i 、唐山等，均遭遇过破坏性地震袭击。 由于历史、经济地理或土地利用等诸多原因，我国有三分之一以上的 国土、近二分之一的城市、近三分之二百万以上人口的大城市位于 度以上的高烈度区，例如北京市、西安市、兰州市、乌鲁木齐市等位 于度烈度区，上海市、天津市、广州市、福州市、深圳市、大连市、 郑州市、合肥市等位于度烈度区。更令人担忧的是，许多大中城市 ( 如北京、上海、广州、南京、天津、唐山、大同、太原、邢台、邯 郸、烟台、大连、威海、西安、兰州、无锡、包头、乌鲁木齐、银j i f 、 郑, j q l 、厦门、福州、深圳、合肥等) 都已经发现存在着活动断裂，而 且目前对这些活动断裂还缺乏必要的了解，难于判定它们的地震危险 性，给城市的防震减灾带来了严重隐患，可能会影响我国二十一世纪 可持续发展的进程。 有关专家预测，我国的地震活动正处于二十世纪以来第五个地震 活跃期，但与以往活跃期的地震活动相比，七级以上地震的频度明显 偏低，这表明今后一段时期内发生大地震的危险性在不断增大，我国 面临着的地震形势十分严峻。 “十五”是我国国民经济高速腾飞的关键时期，随着经济的快速 增长，人口的高度都市化是社会发展的必然趋势，新城市不断涌现， 大城市迅速膨胀，使我国地震灾害危害程度加速增长。如果我们不及 时地开展大城市活动断裂探测，确定城市及其周边地区存在的、有潜 在发震危险的活动断裂的确切位置，使新建城市避开“活动断裂”， 使不断膨胀、扩大的大城市的新建重要设施、生命线工程等远离发震 活动断裂，一旦在这些城市发生破坏性地震，不仅会造成人员财产的 巨大损失，还会重蹈近年来日本神户、土耳其伊兹米特和格尔居克、 台湾集集和唐山等城市地震灾害的覆辙。前车之覆，后车之鉴，我国 迫切需要开展城市发震活动断裂的探测工作，准确地确定城市地震震 源活动断裂存在的准确空间位置，评估其发展危险性，最大限度 地减轻未来可能遭遇的地震灾害损失。 由于过去对城市活断层的危害缺乏充分的认识，并受到当时各种 技术条件的限制，至今为止尚未能对城市内的一些活动断层的展布位 置及其地震危险性作出清楚的了解，给城市的安全留下了严重隐患。 因此，在大中城市内开展活断层的探测和评价是减轻地震灾害的一项 刻不容缓的基础性工作，应予以重视和关注。 第一章、城市活断层高分辨地震勘探的激发和接收研究 1 1 什么是地震分辨率 分辨率是指分离出两个十分靠近的物体的能力( 俞寿朋，1 9 9 3 ) 。 一般用距离来表示，如果两个物体间的距离大于某个特定距离时可以 辨认出两个分离的物体，而小于这个特定的距离时就不再能辨认出是 两个物体，则这个特定的距离就表示分辨率。地震勘探分辨率有纵向 分辨率和横向分辨率之分，但是，地震勘探关心的多是纵向分辨率， 即分离薄层顶底反射的能力，纵向分辨率一般不用距离( 地层厚度) 表示，而用时间表示，又称时间分辨率，此时对应的术语“时间厚度， 是指一个地层顶底反射时间之差。高分辨率地震勘探是指有效地分辨 波阻抗差异小的界面和薄层的地震勘探方法。 地震分辨率与子波特征有关，有一定延续度的单个反射波称之为 子波，地震记录是子波的复合体，记录“f ) 与子波6 ( f ) 和反射系数序列 r ( f ) 的关系可表达为： f ) = ，( f ) 6 ( f ) ( 1 - 1 ) 式中，) i c 表示褶积 f 一时间 。 地震记录上各个子波彼此重叠，影响分辨，在有重叠的情况下， 一些学者提出了不同的准则。 ( 1 ) r a y l e i g h 准n - 两个子波的到达时间差大于或等于子波的半 个视周期，则这两个子波是可分辨的，否则是不可分辨的。这里半个 视周期是指子波主极值与相邻异号次极值的时间间隔。显然，当子波 的主极值幅度显著大于次极值幅度时，这个准则是比较合理的。 ( 2 ) r i c k e r 准则：两个子波的到达时间差大于或等于子波主极值 两侧的两个最大陡度点的间距时，这两个子波可分辨。如果用子波的 时间导数来表示，则r i c k e r 极限是子波导数两个异号极值点的间距。 而r a y l e i g h 极限则是子波导数两上过零点的间距。 ( 3 ) w i d e s s 准则：两个极性相反的子波到达时间差小于1 4 视周 期时，合成波非常接近于子波的时间导数，极值位置不能反映到达时 间差，两个异号极值的间距始终等于子波的1 1 2 视周期。但此时合成 波形的幅度与到达时间差近于正比，利用振幅可解释薄层厚度。 纵向分辨率与子波特征有关，缩短子波长度是提高分辨率的关 键。但子波形状千变万化，长度相同的子波，有的绝大部分能量集中 很短的一段长度内，有的则能量相对分散。显然简单地用长度来衡量 分辨率不能反映实际情况，需要利用其他特征。 w i d e s s 利用子波主极值k 的能量与子波总能量e 之比来定义分辨 能力p ： 而 p ：堕 e e = 62 ( t ) d t = z b ： k ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 即子波b ( t ) 所有样点值的能量之和与采样间隔的乘积。可以看出p 一般小于l ，只有当子波是冲激函数时，分辨能力p 才达到l 。 以r i c k e r 子波为例，此时 6 ( f ) = 【1 2 ( 矿) 2 】唧h 矿) 2 】( 卜4 ) 显然，钆= 1 ，而 o e = 【6 ( f ) 1 2 d t 以式( 卜4 ) 代入式( 卜5 ) ，得到 也= = = = 一 4 4 2 z f 代入式( 1 - 2 ) ，就得到 、p = 竽罔3 4 ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 式中f 为r i c k e r 子波的一个参数，大约是视频率的0 9 倍，可见分 辨能力与视频率成正比，但是，值得注意的是高分辨率地震勘探并不 等同于高频勘探。 以带通子波为例，频带范围从f l 至f 2 的零相位子波为： 6 = 1 ( s i nz ! f 2 ，一s i n2 , f i t f ) 可见， = 2 ( l - a ) e = 肛( f ) 】2 d t = 2 ( 2 一z ) 于是， p = 譬= 2 圳 此处，六一z 为频带宽度，可见分辨率能力与频带宽度成正比。 w i d e s s 还推导了分辨能力的频域表达式尸= 等 善 ( 1 - 1 2 ) b u ) 矽1 j - 。( ) a y 式中b ( ，) 零相位子波6 ( f ) 的振幅谱。 在实际工作中，子波一般是未知的，常用子波振幅谱宽度来衡量 分辨率，而子波的振幅谱通常由记录的振幅谱近似地替代，这是因为 反射系数序列的振幅谱是近于白色的，就是每个频率成分的幅度大致 相等：又因为记录的振幅谱等于反射系数序列的振幅谱与子波的振幅 、， ) ) ) 1 。p c p 加 谱的乘积。所以，记录的振幅谱与子波的振幅谱只差一个比例因子。 记录的振幅谱可由常规的频谱分析程序求出。 振幅谱宽度有绝对宽度和相对宽度两种方式表达，其中，绝对宽 度是多少赫，相对宽度是多少倍频程，倍频程说明在振幅谱宽度范围 内的最高频率与最低频率的关系。如果最高频率与最低频率之比值是 2 的k 次方，则相对宽度为k 个倍频程。决定分辨率的是振幅谱的绝 对宽度，而相对宽度决定子波的相位数，与分辨率没有直接的关系。 总起来说，在子波是零相位的情况下，振幅谱宽度与分辨率有以 下关系： ( 1 ) 振幅谱绝对宽度越大，则子波越短，即分辨率越高。 ( 2 ) 振幅谱绝对宽度不变，则不论主频如何，分辨率不变。 ( 3 ) 振幅谱绝对宽度不变，则主频越高相对宽度越小，也就是子 波相位数越多，分辨率与主频无关。 ( 4 ) 振幅谱相对宽度不变，则子波相位数不变。此时主频越高， 绝对宽度就越大，分辨率也越高。 子波的振幅包络可作为衡量分辨率的一种特征，子波的振幅包络 a ( t ) 由振幅谱绝对宽度( 五一z ) 决定。设振幅谱在频率f 1 和f 2 之间 为1 ，在此范围之外为0 ，则子波可由如下的f o u r i e r 变换得到 6 ( f ) = 2 j ：2 c 。s 撒= m ! - ( s i n 2 n f z ，一s i n 2 n f l ) ( 1 - 1 3 ) 而b ( t ) 的h i l b e r t 变换可由f o u r i e r 变换得到 占o ) = 2 i s 7 2 s i n 2 a f t d f = 一砉s 壤卜e o s 2 砺f ) ( 1 - 1 4 ) 由此得到子波的振幅包络： 彳( ，) = b 2 ( d 一5 2 ( ，) 】! = j 砉s i n 五一z ) ，i ( 1 1 5 ) 因此，绝对宽度增大一倍，则包络缩短一半。 此外，分辨率与子波相位谱的关系为：在振幅谱不变的情况下， 子波长度随相位谱不同而有很大变化。具有相同振幅谱的诸子波中， 零相位子波的分辨率最高，最小相位子波的分辨率并不是最高的。 1 2 城市活断层高分辨率地震勘探的震源研究 城市高分辨率地震勘探对震源的要求有： ( 1 ) 适用于城市特定环境对震源的要求，对城市环境无破坏作 用，例如在市区爆炸源将不适用，对环境的噪音污染要在可接受的范 围之内等。 ( 2 ) 要有比常规地震的震源有更宽的频带： ( 3 ) 在此频带范围内振幅谱向高频方向增强； ( 4 ) 性能稳定，重复性好。 高分辨率地震勘探所需要的震源能量不仅与地震地质条件、潜水 面深度、地下岩性、检波器频率特性和灵敏度、叠加次数、仪器动态 范围和噪声有关，而且还与目的层深度和要求的理想分辨率有关。 1 2 1 可控震源 城市高分辨率地震对于震源的上述四条要求很难完全满足，但可 控震源相对地比较接近于上述要求，而且，在不考虑大地滤波时，可 控震源的子波是零相位子波。在高分辨率地震勘探中，采用的可控震 源主要为出力为5 0 0 1 0 0 0 n 的小型可控震源( 如m i n i v i b 或p h v s t 0 0 0 型) ，激发的纵波频谱l o 5 0 0 t t z ，该震源可以以全波组合方式，用 1 2 计算机编程预设控制程序，作线性或非线性扫描，是非爆炸震源探测 深度较大的激发系统，可选用小型卡车或小型拖拉机等为载体。 可控震源可以按需要设定扫描频带。频带的选择应使起始频率与 终了频率之比超过2 5 倍频，且中心频率所对应的1 2 周期决定能分 辨的最小厚度的双程旅行时间。 可控震源可以通过非线性扫描增强高频成分，大致能够使高频端 的记录上限提高3 0 5 0 h z ，这一般是借助使不同频率成分占有不同 扫描时间来实现的。对于高频成分，每改变l t l z 所占的扫描时间要大 于低频成分改变1 h z 所占的扫描时间，为了能对地震波的高频衰减起 到补偿作用，要求扫描时间与频率成指数关系。 可控震源还可以通过变频带扫描技术来达到理想的振幅谱。采用 这种技术时每个点上都要进行多次扫描，每次扫描的频率范围不同， 使这些扫描相加的结果得到平直的振幅谱。扫描参数在试验点上确 定。在试验点上，每次扫描之后，把已有各次扫描结果相加，分析振 幅谱，确定下一次的扫描频带。新的扫描频带要尽可能选在振幅谱幅 度较弱部分。这样逐步把振幅谱填平补齐，在规定频率范围内有平整 的形状。扫描参数在试验点上选好后，就可以在生产中应用了。这种 方法已经包括了检波器和仪器的频率特性在内。 可控震源不可能完全适应深浅各层的情况。在记录上浅层反射可 能高频占优势，而深层反射则低频占优势，在目的层附近比较合适。 可控震源线性扫描信号可用频率连续变化的正弦函数表示( 俞寿 朋，1 9 9 3 ) 。若起始频率为f 。，终了频率为f 2 ，扫描长度为t ，则扫 描信号为 即削s i n 2 石+ 簪f ) f ( i - 1 6 ) 式中a 扫描信号幅度 + t 时间变量 其瞬时相位为 砌+ 簪f ) f ( 1 - 1 7 ) 瞬时频率为，( f ) = i 11 a o ( 厂t ) ( 1 - 1 8 ) 即 ，( f ) ：z + 厶善， ( 卜1 9 ) 可见，( o ) = z ，( 7 ) = 以，且f ( t ) 是t 的线性函数。 一般地，要求扫描信号具有振幅谱4 ( ) ，其频率范围为z 至五， 并且规定了扫描信号的长度为r ，就可按如下步骤计算扫描信号： ( 1 ) 对各个频率的扫描时间分配，它应与该频率成分要求的振 幅谱成正比。 a t ( ) = 削u ) a f ( 1 - 2 0 ) 式中k 为比例常数。 ( 2 ) 求各个频率成分在扫描信号中的出现时间t ( f ) ，不妨令扫描 起始频率为f 1 ，终了频率为f 2 ，对上式两端积分 d t = 后j j ：彳( ，阿 ( 1 _ 2 1 ) 得到f o r ) = k ( a ( f ) a y ( 1 - 2 2 ) 当f 时仁t ，即r = k 露a ( f ) a y ，消去k 得到： 价百r f f a 面( ) d f ( 1 2 3 ) 这就是频率f 在扫描信号中出现的时间。 ( 3 ) 求扫描信号的瞬时频率，它就是t ( d 的函数坟t ) ，实际上就 是由上式解出f 的表达式。 一 ( 4 ) 求瞬时相位 ( f ) = 2 丌j ：，( ，) 击( 1 - 2 4 ) ( 5 ) 扫描信号就是 j ( f ) = s i n ( f ) ( 1 - 2 5 ) 例如，要补偿地震波的高频衰减，此时按衰减对振幅谱的表达 式可取 爿u ) = e x p ( n 3 q t 。) e x p ( 须o t 。) ( 1 - 2 6 ) 式中t o 为反射时间，简记为 a u ) = 唧【c u z ) 】 ( 1 - 2 7 ) 式中 c = o t 。 ， 价盟e x p c 揣( a 1 ( 1 - 2 8 ) 一z ) 卜 此式分母是常数，7 、z 也是常数，故可写成f ( ，) = a e x p ( c f ) 一6 形式， 即扫描时间按频率指数分配。由上式解出，即瞬时频率 f ( t ) = n - c 1t n ( ( e x p f 一z ) 】- 1 ) ；+ 1 ) ( 1 - 2 9 ) 这就可以作为扫描参数控制震源的扫描信号。 圈1 1 瑚j 蝻豳可控震巍的渡谱 图1 1 为福州市城市活断层试验项目中，采用美国i 公司生产的 m i n i v i b 6 5 0 0 型可控震源，在福州市华林路水泥路面上激发得到的地 震波振幅谱，可控震源的扫描频率为3 0 2 0 0 h z ，测点采用了每串4 个1 0 0 h z 的高频检波器组合接收，采用固定铁板与路面藕合，该波谱 对应于偏移距3 5 米的地震记录道，图中波谱表明该震源谱的频带为 3 0 2 0 0 h z ，这与其扫描频率十分吻合。 1 2 2 夯源 夯源是用夯击的方式不断撞击地面激发地震波，并在震源上安 放一个检波器记录撞击的起始时间序列，将其作为震源的随机脉冲编 码信号，方法用具有相关叠加功能的数字地震仪在野外对信号进行实 时相关处理，产生类似单次锤击震源的单炮记录，解决了单次锤击能 量不足的问题。 夯源具有较强的抗干扰能力，该震源还具有体积小，重量轻，携 带方便，易于操作和施工效率高等特点。夯源激发的能量由地表条件、 夯击速率决定，在潮湿坚实的地表激发，有利于激发出高频地震波。 圈l 工w d 一膏昭轼确9 啊 “l u l l t a t 覆任l 量脚曩“量i 孵发t i 抽曩 图1 2 为福州市城市活断层探测试验项目中，采用了美国e g & g g e o m e t r i e s 公司生产的w d a - t 8 8 5 夯源在福州市华林路水泥路面上 激发得到的地震波振幅谱，测点采用了每串4 个1 0 0 h z 的高频检波 器组合接收，采用固定铁板与路面藕合，该波谱对应于偏移距3 5 米 的记录道，a , b 。c 和d 表示的垂直叠加次数依次为1 , 2 , 4 和6 次，从图 中可知，在7 0 h z 和1 4 0 h z 有两个振幅极大值，随着垂直叠加次数的 增加，频带向着高频和低频两端扩展，振幅谱的宽度呈增加的趋势， 图a 表示的频带6 0 - - 3 6 0 h z ，图b 表示的频带宽度为5 0 - - 3 7 0 h z ，图c 表示的频带宽度为4 0 3 8 0 h z ，图d 表示的频带宽度为3 0 - - 4 0 0 h z 。因 为频带越宽，分辨能力越强，而城市活断层探测需要较高的分辨能力， 因而，城市活动断层地球物理探测宣采用多次落锤叠加的方式。 1 2 3 锤击震源 锤击是目前浅层地震勘探采用的最为广泛的一种安全、简便激发 方式，由大锤( 或落重锤) 、金属垫板和锤击开关组成，它的特点是 成本低、操作方便、生产效率高，特别适合于在建筑物