海上地震勘探在近海工程中的應用

海上地震勘探在近海工程中的應用

隨著建設項目的發(fā)展，跨江和海洋水域的項目開發(fā)越來越多。海洋地震勘探廣泛應用于大陸架和深海，也廣泛用于沿海地區(qū)和大陸河流的開發(fā)。淺層水域地震系統(tǒng)是海洋地震系統(tǒng)的濃縮版,也由船載系統(tǒng)和拖曳系統(tǒng)組成。船載系統(tǒng)包括可控震源、數(shù)據(jù)采集和處理平臺、DGPS差分衛(wèi)星導航定位系統(tǒng);拖曳系統(tǒng)包括換能器、水聽器和電纜等。根據(jù)發(fā)射頻率、震源、接收系統(tǒng)和勘探深度的不同,可分為淺地層剖面法、單道地震、多道地震等不同反射波法。淺地層剖面法類似于回聲測深裝置,利用聲波測距原理設計。與其他方法不同的是:接收和發(fā)射為同一系統(tǒng)(拖魚);一般頻率較高,通過換能器將控制信號轉(zhuǎn)換為不同頻率(一般在100～10kHz之間)的聲波脈沖向海底發(fā)射;探深在30m以內(nèi),主要用于淺部不良地質(zhì)體、管道、淺剖覆蓋層的精細分層和水底地形測量等。單道地震使用的震源一般是電火花和BOOMER震源,采用單個水聽器或多個水聽器組合成一體的單個地震道接收,單次覆蓋觀測系統(tǒng)。工作頻段在200～8000Hz之間,主頻在500～1500Hz之間,有時也稱為中剖,單道地震探深中等,一般可達強風化巖頂面,地層條件許可時可達中風化巖頂面。對薄層的分辨能力較高,可達分米級。單道地震主要用于對第四系地層分層,調(diào)查淺層氣、滑坡、軟土層、孤石等不良地質(zhì),還可用于探明活動性斷裂是否錯斷第四系,確定斷裂的活動年代。多道地震使用的震源包括電火花、氣槍、水槍和落體等,采用多道漂浮電纜接收,多次覆蓋觀測系統(tǒng)。工作頻段在50～2000Hz,主頻在100～500Hz。最大探深一般穿透中微風化層,至少在200m以上。對薄層的分辨能力較低,一般為米級,主要用于查明覆蓋層結(jié)構(gòu)、地層巖性、風化界面、基巖埋深、基巖面形態(tài)和褶皺、斷裂構(gòu)造,進而評價斷裂規(guī)模、走向和活動性。筆者以深中通道跨珠江口橋址和隧道勘察工作為實例,闡述在近海區(qū)域和內(nèi)地江河如何合理地應用各反射波法的問題,如主要采集參數(shù)、軟件處理中主要功能的選擇、軟件處理的重點和各方法綜合解釋等,達到精細分層和查明隱伏構(gòu)造勘查的目的,并例舉了淺層氣、孤石、斷裂等異常和巖土分層的較典型時間剖面。1潮位及基巖特征深圳至中山跨江通道工程是連接珠江口東、西兩岸深圳和中山兩市的一條跨越珠江口內(nèi)伶仃洋的通道(圖1)。工區(qū)海域為不規(guī)則半日潮海區(qū),水位在一個潮周期內(nèi)變化相對較平緩,最高潮位3.5m、最低潮位-1.3m,最大潮差3.6m,最小潮差0.02m。水體含鹽量約為正常海水的1/3～1/4。地層巖性:覆蓋層為全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)海相、陸相和河流相沉積沖積的淤泥、淤泥質(zhì)土、黏土和粉質(zhì)黏土等,中山側(cè)基巖為變粒巖、深圳側(cè)為燕山三期細—粗粒斑狀花崗巖?；鶐r可劃分為全風化、強風化、中風化及微風化帶。橋址區(qū)內(nèi)斷裂以北西向為主,次為北東向。穿過軸線的斷裂構(gòu)造主要為白坭—沙灣斷裂(北西向)、黃埔—鞏石水道東側(cè)斷裂(北西向)、南崗—東博寮海峽斷裂(北西向)和翠亨—田頭斷裂(北東向)。2基巖與第四系覆蓋層的波阻抗差異根據(jù)前人工作成果,參考相鄰地區(qū)資料,主要巖土層的物理性參數(shù)見表1。由表1可見,本區(qū)具有開展地震類勘探的地球物理條件。(1)基巖與第四系覆蓋層之間波速及密度差異明顯,兩者之間存在明顯的波阻抗差異,故基巖頂面為良好的地震波反射界面。(2)第四系覆蓋層內(nèi)各層組之間也存在一定的波阻抗差異,當界面較穩(wěn)定、干擾小時,也可為較好的地震反射界面。(3)若斷裂引起地層的垂向錯動或巖體破碎,則地震時間剖面圖將出現(xiàn)反射波組同相軸的錯動、不連續(xù)或能量減弱、繞射波出現(xiàn)等異常特征。3激發(fā)激發(fā)間隔時間生產(chǎn)性數(shù)據(jù)采集工作開始前,進行了現(xiàn)場試驗。試驗內(nèi)容包括震源能量、激發(fā)間隔時間、濾波通帶、采樣間隔、記錄長度、偏移距、炮間隔、航速等。通過試驗結(jié)果選擇最佳的采集參數(shù),各方法分述如下。3.1船舶激發(fā)方式采用高壓空氣槍震源系統(tǒng)激發(fā),氣槍工作壓力為9～10MPa,計算單炮激發(fā)能量3500～5000J。激發(fā)間距5s,勻速航行,航速3.11節(jié)。采樣間隔0.125ms,記錄長度256ms,低切60Hz濾波。采用拖拉式連續(xù)勻速航行和定時激發(fā)方式施工,接收電纜牽掛在船尾部向后延伸,一般選擇平潮期間工作。圖2為多道地震單炮記錄。3.2bo研磨震源改造生產(chǎn)采集前,進行的現(xiàn)場試驗表明,由于水體含鹽量太小,電火花震源無法工作,改用BOOMER震源后,采集的記錄在80ms以內(nèi)可見明顯的有效反射,滿足設計要求。通過試驗,最終選定BOOMER震源,發(fā)射功率500J,采樣間隔0.250ms,記錄長度256ms。圖3為單道地震實測資料。3.3淺地層資料采集淺地層剖面法與單道地震同船同線施工。本次工作中,淺地層剖面儀記錄長度50ms、發(fā)射功率400J,探頭沉放深度0.6m。圖4為淺地層剖面法實測資料。采用上述參數(shù)采集的原始地震記錄波組清晰連續(xù)、層位分明、信噪比高。后續(xù)處理得出的時間剖面波組清晰,層位分明,說明選擇的采集參數(shù)合理。4多次波壓制技術(shù)淺地層剖面和單道地震數(shù)據(jù)處理相對多道地震來說,較為簡單。多道地震數(shù)據(jù)處理有如下幾個關鍵步驟:速度分析、多次波的壓制、寬線疊加。速度分析主要應用超級速度譜,速度分析區(qū)間為1000～3000m/s(步長10m/s),從速度譜中根據(jù)疊加能量最強的原則拾取疊加速度,最終采用二維速度模型供動校正使用,速度掃描分析如圖5。速度分析的幾點認識:①速度間隔對速度譜的效果影響較大,一般速度間隔選擇較小(10m/s),做出的速度譜能有效地反映反射波的疊加速度隨時間的變化規(guī)律;②深層出現(xiàn)速度相對較低的反射能量團,而其時間與速度相近的淺層反射波的時間成倍數(shù)關系時,則可能是多次波;③一般要使v-h曲線通過疊加振幅的峰值(高能量團),但在深層必須慎重地通過標準層反射波能量團,舍去高速繞射波和低速干擾波所引起的較大的能量團;④單條速度譜線并不能確定某一時刻的疊加速度,單張速度譜也不能較精確地反映某一反射波的疊加速度的變化規(guī)律。多次波在時間剖面上與有效波基本呈等時差間隔多次出現(xiàn),也比上一次波的傾角陡,如圖6左側(cè)波形所示。多次波的壓制主要利用FK濾波和預測反褶積。FK濾波在動校后進行,因為在動校正道集上,一次波被拉平,而多次波由于校正的速度過大變成了拋物線,再利用帶通切餅式濾波器,可達到消除多次波的目的。如圖6右側(cè)波形所示,為圖6左側(cè)所示記錄處理后結(jié)果。疊加采用寬線疊加方式,將落入同一個線元的道疊加成同一個CDP(共深度點),主要功能是消除航速不穩(wěn)的影響。4.1測區(qū)地質(zhì)資料物探波組劃分主要依據(jù)單道地震、多道地震時間剖面反射波組的波形特征,通過對波組的走時、頻率、相位、強度及連續(xù)性等對比分析,將測區(qū)80m深度范圍內(nèi)劃分為五個有效波組(T1、T2、T3、T4、T5),結(jié)合地質(zhì)資料,分別對應水底、砂層底、淤泥層底、全強風化巖頂和中微風化巖頂。剖面有較高的分辨率和信噪比,第四系地層結(jié)構(gòu)、各風化分層厚度變化及基巖面起伏在時間剖面上顯示得清楚直觀,分層較為精細,并由鉆探資料證實(圖7)。4.2異常檢測4.2.1淺層氣發(fā)育區(qū)地震時間剖面上屏蔽區(qū)存在,主要表現(xiàn)為地震反射雜亂,同相軸模糊,層速度降低,出現(xiàn)“下拉效應”,推斷為淺層氣發(fā)育區(qū)。淺層氣可能是在地層形成時期一同埋藏的有機質(zhì)非氧化分解產(chǎn)生的氣泡,當?shù)卣鸩ù┻^該層時絕大部分能量被吸收,因此下部地層的反射很弱或消失。淺層氣發(fā)育區(qū)的地震剖面如圖8所示。4.2.2孤石反射波組的識別在強反射波面(基巖)之上及沉積物反射面之下的時間剖面,基本對應風化層,出現(xiàn)較強不連續(xù)的繞射波,推斷為孤石的反射波組。較典型的地震時間剖面見圖9。4.2.3中微風化基巖頂面反射波地震剖面的地震資料分析根據(jù)相關規(guī)范和同類工程經(jīng)驗,結(jié)合地質(zhì)情況,在斷裂通過處一般存在如下特征:①反射波同相軸或波組出現(xiàn)錯斷現(xiàn)象;②反射波同相軸數(shù)目明顯增加或減少;③反射波同相軸產(chǎn)狀突變,反射凌亂或出現(xiàn)空白區(qū);④反射波同相軸的強相位反轉(zhuǎn);⑤來自中微風化基巖頂面反射波組的雙程時間明顯增加,出現(xiàn)明顯的巖面凹槽或巖面陡坎。斷裂異常反映的較典型地震時間剖面見圖10。斷裂異常位置布設了驗證孔,其驗證情況如表2。從驗證