徐善輝， 王偉濤*， 許衛(wèi)衛(wèi)， 王力偉， 馬曉娜， 王翔， 孟川民， 楊微

1 中國(guó)地震局地球物理研究所, 北京 100081 2 廣東省地震局, 廣州 510000 3 中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理實(shí)驗(yàn)室， 四川綿陽(yáng) 621999

0 引言

地震波是研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要工具，是照亮地下的明燈(陳颙和朱日祥，2005).天然地震釋放的地震波能量強(qiáng)，可傳播幾千至幾萬(wàn)公里，適用于地球內(nèi)部大尺度結(jié)構(gòu)和演化研究.人工震源解決了天然地震發(fā)生時(shí)間不確定和位置不可控的問(wèn)題，被廣泛應(yīng)用于淺部結(jié)構(gòu)探測(cè)、礦產(chǎn)資源勘查等領(lǐng)域(Mooney et al.,2002).當(dāng)觀測(cè)系統(tǒng)接收點(diǎn)足夠密集時(shí)，人工震源的激發(fā)特征如傳播距離和優(yōu)勢(shì)頻率等，決定了淺部結(jié)構(gòu)成像的范圍和精度.就主動(dòng)源探測(cè)常用的P波信號(hào)而言，頻率較高的地震波信號(hào)具有更小的波長(zhǎng)，對(duì)于地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的分辨率更高.然而，高頻地震波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減更快，成像范圍會(huì)受到局限.提高激發(fā)能量又會(huì)對(duì)激發(fā)點(diǎn)附近環(huán)境造成更嚴(yán)重的破壞，使其應(yīng)用受到限制.人工震源的使用，需要針對(duì)研究目標(biāo)在傳播距離、成像分辨率以及環(huán)境破壞程度之間找到一個(gè)平衡點(diǎn).

炸藥震源是過(guò)去幾十年中使用最廣泛的人工震源，深地震測(cè)深技術(shù)利用大當(dāng)量炸藥震源獲取地殼和上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)(Li et al., 2006; Zhang et al., 2011; Dong et al., 2013)，礦產(chǎn)勘查中則利用密集激發(fā)的小當(dāng)量炸藥震源獲取精細(xì)的局部精細(xì)結(jié)構(gòu).由于炸藥爆炸會(huì)產(chǎn)生有害化學(xué)物質(zhì)污染環(huán)境，其使用范圍越來(lái)越受到限制(李穩(wěn)等，2020).因此，研究人員發(fā)展了基于連續(xù)震動(dòng)的震源，如Minisosie、Vibroseis及ACROSS等可控震源技術(shù)來(lái)替代炸藥爆破產(chǎn)生地震波(Yamaoka et al., 2001；常旭等，2008；王洪體等，2009)，但相比炸藥震源，這些震源激發(fā)地震波時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低.大容量氣槍在陸內(nèi)水體中瞬間釋放高壓氣體可激發(fā)具有極高重復(fù)性的地震波，近年也得到了廣泛應(yīng)用(王寶善等，2016;Chen et al., 2017)，但氣槍震源激發(fā)需要水體作為媒介，使用因此也受到限制.

氧氣和可燃性氣體(如氫氣、甲烷等)混合，在密閉容器中、一定能量條件下點(diǎn)火可發(fā)生氣相爆轟反應(yīng)，產(chǎn)生高壓，炸開(kāi)密閉容器后快速釋放高壓氣體可形成沖擊波(張博和白春華，2014；董石等，2017).以甲烷和氧氣混合為例，氣相爆轟反應(yīng)生成水和二氧化碳，是一種對(duì)周圍環(huán)境造成極少污染的綠色震源，同時(shí)該震源主要在陸地井中進(jìn)行激發(fā)，對(duì)氣槍震源是一個(gè)較好的補(bǔ)充.2017年12月，南京大學(xué)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家單位在江西景德鎮(zhèn)朱溪鎢礦區(qū)開(kāi)展了主動(dòng)震源觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)該區(qū)成礦結(jié)構(gòu)進(jìn)行探查.研究人員利用研制的基于甲烷和氧氣的混合氣體爆轟震源(以下簡(jiǎn)稱氣爆震源)進(jìn)行了測(cè)試激發(fā)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展了震動(dòng)信號(hào)特征分析，同時(shí)與可控震源車、氣槍震源等進(jìn)行了比對(duì)分析(Wang et al.，2019).后期經(jīng)相關(guān)工程技術(shù)人員改進(jìn)，在2018年實(shí)現(xiàn)了氣爆震源的初步定型，并于2018年12月在山西省晉中市進(jìn)行了一次與炸藥震源的同點(diǎn)對(duì)比實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣爆震源激發(fā)的地震信號(hào)具有能量大、頻帶寬、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，是一種潛在的優(yōu)質(zhì)綠色震源.

粵港澳大灣區(qū)(簡(jiǎn)稱大灣區(qū))是與東京灣區(qū)、紐約大都會(huì)灣區(qū)以及三藩市灣區(qū)相媲美的全球第四大灣區(qū)，是國(guó)家建設(shè)世界級(jí)城市群和參與全球競(jìng)爭(zhēng)的重要空間載體.大灣區(qū)內(nèi)人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市群密集、高樓林立，生命線工程錯(cuò)綜復(fù)雜，通訊、金融、交通等網(wǎng)絡(luò)遍布，財(cái)富高度集中.因此，大灣區(qū)地震災(zāi)害具有環(huán)境敏感程度高，人員傷亡重，經(jīng)濟(jì)損失大，社會(huì)影響廣的特點(diǎn).而探明大灣區(qū)地下淺層三維結(jié)構(gòu)及隱伏斷裂是提升該區(qū)域自然災(zāi)害防范能力的關(guān)鍵.國(guó)內(nèi)外大量震例和科學(xué)研究表明，活斷層沿線是震災(zāi)最集中、人員傷亡最嚴(yán)重的部位，其損失程度明顯地大于斷層兩側(cè)的其他區(qū)域(鄧起東等，2003;酆少英等，2015).為減輕地震活斷層在地震災(zāi)害中的巨大破壞作用，必須查明城市地下地震活斷層的分布，從而在城市建設(shè)中避開(kāi)地震活斷層.為此，廣東省地震局啟動(dòng)了《粵港澳大灣區(qū)淺層三維結(jié)構(gòu)探測(cè)(一期)》防震減災(zāi)專項(xiàng)，先期工作選取已開(kāi)展過(guò)鉆探、反射地震等工作的獅子洋斷裂西支-化龍斷裂作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo).淺層地震勘探是城市活動(dòng)斷層探測(cè)中解決隱伏斷層定位及切割地層層位的最主要方法之一，而在城市內(nèi)部，爆炸震源一般不能使用，甚至部分地區(qū)可控震源、大型夯擊震源的使用也都十分受限，本文工作即在考慮該困境的基礎(chǔ)上，采用新近發(fā)展的氣爆震源作為主要激發(fā)方式，嘗試在較少的震源點(diǎn)位置進(jìn)行氣爆震源激發(fā)，形成密集觀測(cè)稀疏激發(fā)的觀測(cè)系統(tǒng)，使用直達(dá)波走時(shí)層析成像的方法進(jìn)行近地表公里級(jí)P波速度結(jié)構(gòu)探查，以期發(fā)展一種較低成本獲得城市地區(qū)斷層結(jié)構(gòu)信息的方法.

本文首先比較氣爆震源在不同尺寸、充氣壓力及激發(fā)深度條件下的激發(fā)效果差異，對(duì)激發(fā)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；通過(guò)氣爆震源多炮記錄進(jìn)行研究區(qū)域淺部結(jié)構(gòu)反演成像；基于背景噪聲記錄獲得縱/橫波波譜比(HVSR)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得到研究區(qū)域淺部沉積層深度分布，并與反演成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；最后對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論.

1 氣爆震源激發(fā)特性分析

1.1 不同氣爆震源裝置的測(cè)試與分析

為更好地了解氣爆震源特性，以便其可以大規(guī)模應(yīng)用于地球物理勘探，對(duì)多種震源參數(shù)組合的激發(fā)效果進(jìn)行了比較測(cè)試.測(cè)試內(nèi)容包括不同尺寸震源容器、不同井深、不同初始注氣壓力等，詳細(xì)參數(shù)如表1所示，氣爆震源爆炸部分為一細(xì)長(zhǎng)中空?qǐng)A柱體，表中裝置型號(hào)第一個(gè)漢字表示圓柱體成型方式，“標(biāo)”和“科”類型圓柱底部使用螺絲固定，“焊”表示圓柱體底面為焊接型，后面兩個(gè)數(shù)字分別為圓柱體的底面直徑及高度(單位mm)，這兩個(gè)值決定了爆炸部分裝置大小及有效儲(chǔ)氣體積.測(cè)試過(guò)程采用48個(gè)檢波器等間距線性排列接收，檢波器間距5 m，型號(hào)為自然頻率5 Hz的SG-5型；氣爆震源位置設(shè)計(jì)在第35個(gè)檢波器附近；用于信號(hào)接收的地震采集系統(tǒng)為428XL-lite.測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)采樣率為1 ms，采集時(shí)長(zhǎng)為1 s.

根據(jù)最大偏移距處(第1道)絕對(duì)值平均振幅高低對(duì)12次激發(fā)結(jié)果進(jìn)行排序，結(jié)果見(jiàn)表1所示.根據(jù)表1及圖1a所示可見(jiàn)震源激發(fā)能量大小與裝置體積大小正相關(guān)，較大裝置激發(fā)能量明顯高于較小裝置的激發(fā)能量，對(duì)相同大小的震源裝置來(lái)講，激發(fā)能量與注氣壓力大小正相關(guān)，9 MPa初始充氣壓力激發(fā)能量明顯強(qiáng)于6 MPa初始?jí)毫ぐl(fā).圖1b所示為圖1a中相應(yīng)顏色的窗口數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的FFT振幅譜.由圖1b可以看出：首先，本次實(shí)驗(yàn)激發(fā)出信號(hào)分為較低頻的面波成分(約5～15 Hz)和較高頻率的初至體波成分(約15～25 Hz)，面波主頻在12 Hz左右，各震源激發(fā)所得結(jié)果基本一致；其次，由圖1b可以明顯看出shot02記錄高頻成分最優(yōu)，在進(jìn)行淺層高分辨率勘探時(shí)應(yīng)該首選該類型震源.

圖1 不同參數(shù)震源激發(fā)效果比較(a) 12次激發(fā)得到的地震記錄，從上至下不同顏色框內(nèi)依次為shot01至shot12記錄，其中每個(gè)記錄時(shí)長(zhǎng)為1 s，采樣間隔為1 ms； (b) 圖(a)中相應(yīng)顏色窗口數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的FFT振幅譜.Fig.1 Comparison of the activate performances for different parameter combinations in the methane gas explosion source(a) Seismic records from 12 excitations, the sequence from top to bottom is shot01 to shot12, in which the total recording time is 1 s with a time sampling of 1 ms. (b) FFT amplitude spectrum corresponding to the windowing data in (a).

表1 不同型號(hào)震源激發(fā)情況表Table 1 Excitation of different types of seismic sources

該實(shí)驗(yàn)表明，使用容積較大的震源能有效增強(qiáng)激發(fā)能量，同時(shí)初始注氣壓力應(yīng)盡量高，但壓力過(guò)高容易造成震源裝置直接噴出井口，具有安全隱患.激發(fā)井深應(yīng)該盡量加大，在基巖或者潛水位以下激發(fā)效果較好.不同激發(fā)環(huán)境下激發(fā)的地震信號(hào)能量差異大，但頻率范圍差異較小.對(duì)于區(qū)域尺度成像工作來(lái)講，主要利用初至波進(jìn)行走時(shí)成像，有效信號(hào)傳播的距離將直接影響成像深度，因此應(yīng)該盡量使用具有較大能量的震源裝置，且激發(fā)環(huán)境也應(yīng)該盡量有利于地震波的產(chǎn)生和傳播.綜合考慮shot01的震源參數(shù)組合實(shí)現(xiàn)的激發(fā)效果最好、性價(jià)比最高，在接下來(lái)的淺部結(jié)構(gòu)成像工作中我們采用的氣爆震源型號(hào)和激發(fā)參數(shù)參照shot01完成.

1.2 氣爆震源激發(fā)環(huán)境振動(dòng)分析

國(guó)家《爆破安全規(guī)程(GB6722-2014)》中對(duì)于建筑安全允許的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度做出了明確規(guī)定：對(duì)于一般民用建筑物，允許的爆破振動(dòng)速度峰值為：1.5～2.0 cm·s-1(f≤10 Hz)，2.0～2.5 cm·s-1(10 Hz50 Hz)；對(duì)于工業(yè)和商業(yè)建筑物，允許的振動(dòng)速度峰值為：2.5～3.5 cm·s-1(f≤10 Hz)，3.5～4.5 cm·s-1(10 Hz50 Hz).為了測(cè)定氣爆震源在城市地區(qū)使用時(shí)對(duì)建筑物的合理避讓距離，我們?cè)谏轿魇x中市武鄉(xiāng)縣進(jìn)行了氣爆震源與傳統(tǒng)炸藥震源激發(fā)效果的對(duì)比試驗(yàn)，兩種震源激發(fā)位置和激發(fā)環(huán)境一致，激發(fā)井深為13 m，激發(fā)巖性為黃土.觀測(cè)系統(tǒng)使用了428XL型地震儀，采集參數(shù)為360道接收，道距20 m，每道由6只檢波器組合堆放.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程還使用了5個(gè)短周期地震儀進(jìn)行了距震源不同距離處的地表振動(dòng)速度值測(cè)定.

兩種震源激發(fā)地震記錄如圖2所示，兩種震源激發(fā)記錄品質(zhì)基本相當(dāng)，箭頭所指的目標(biāo)層反射信號(hào)均清晰可見(jiàn)，氣爆震源記錄信噪比略低于炸藥震源，但整體頻率高于炸藥震源，理論上具有更高的分辨率.依據(jù)前期工作經(jīng)驗(yàn)(Wang et al.，2019)，該類型氣爆震源所包含的化學(xué)總能量約為E=5.36 mol×850 kJ·mol-1=4.56 MJ，儲(chǔ)能約等于1150 g炸藥包含的能量，僅相當(dāng)于炸藥震源的1/8，而根據(jù)熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)及理論研究，對(duì)外做功能量約占總化學(xué)能30%左右，因此，該震源用于產(chǎn)生地震波的能量釋放約為1.4 MJ，約相當(dāng)于350 g炸藥的能量.這表明新型氣爆震源將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的轉(zhuǎn)化率是比較高的.

圖2 同點(diǎn)激發(fā)的炸藥震源和氣爆震源激發(fā)地震記錄比較(a) 8 kg炸藥激發(fā)記錄； (b) 氣爆震源激發(fā)記錄，震源裝置型號(hào)為表1中所述的108-1000型號(hào)，注氣壓力為6 MPa.Fig.2 Comparison of the seismograms for gas explosion and traditional explosion source which excited at the same point(a) The seismograms of 8 kg traditional explosive excitation; (b) The seismograms of methane gas explosion source, the source device is 108-1000 described in Table 1, and the gas injection pressure is 6 MPa.

表2給出了距兩種震源激發(fā)點(diǎn)不同距離處激發(fā)的地面運(yùn)動(dòng)速度峰值.從表中可以看出，炸藥震源近場(chǎng)地表振動(dòng)三個(gè)分量數(shù)值大小基本相當(dāng)，而氣爆震源近場(chǎng)地表振動(dòng)記錄水平分量峰值遠(yuǎn)小于垂直分量峰值，氣爆震源在20 m處的振動(dòng)峰值已經(jīng)滿足爆破安全規(guī)程要求.這表明：在達(dá)到同樣勘探效果條件下，氣爆震源激發(fā)引起的地表振動(dòng)速度峰值遠(yuǎn)低于炸藥震源，尤其是水平方向振動(dòng)速度.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于氣爆震源采用了定向激發(fā)的技術(shù)設(shè)計(jì)，主要激發(fā)能量垂直向下，另外一種可能原因是兩種震源激發(fā)S波的效率不同，導(dǎo)致峰值運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于不同的震相.利用強(qiáng)震儀測(cè)定結(jié)果也表明氣爆震源激發(fā)時(shí)30 m以外的地表加速度也遠(yuǎn)小于國(guó)家抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(Wang et al.，2019)，這一特性使其在城市地區(qū)具有較強(qiáng)的適用性.

表2 不同震源測(cè)試點(diǎn)爆破振動(dòng)速度峰值Table 2 Peak value of blasting vibration velocity at different test points

2 化龍斷裂氣爆震源走時(shí)層析成像

2.1 數(shù)據(jù)采集

跨化龍斷裂二維地震測(cè)線長(zhǎng)度約10 km(圖3)，數(shù)據(jù)采集使用短周期地震儀進(jìn)行連續(xù)記錄，包括178個(gè)EPS-2型和69個(gè)SmartSolo HR-16-3C型短周期地震儀.震源激發(fā)工作由四川綿陽(yáng)的偉博震源科技有限公司完成，使用的震源裝置型號(hào)為WB-133-1000，為直徑133 mm、高度1000 mm的圓柱體裝置，可容納氣體有效容積約10.8 L，每個(gè)炮點(diǎn)位置處的激發(fā)基本流程為

(1)打井：井體參數(shù)直徑約15 cm，深度大于10 m，保證激發(fā)裝置在基巖環(huán)境中；

(2)注氣：在圓柱體裝置中依次注入氧氣2.5 MPa和甲烷氣體5 MPa；

(3)起爆：使用具有GPS授時(shí)的高壓起爆器對(duì)可燃?xì)怏w點(diǎn)火起爆.

本實(shí)驗(yàn)中累計(jì)完成氣爆震源激發(fā)點(diǎn)10個(gè)，炮間距約1 km， 在10個(gè)點(diǎn)完成13次激發(fā)，多數(shù)點(diǎn)位臨近公路或靠近居民點(diǎn)，最近的點(diǎn)位距房屋僅3 m炮點(diǎn)和檢波點(diǎn)位置見(jiàn)圖3.作業(yè)人員嚴(yán)守流程、嚴(yán)格悶井，13次激發(fā)均實(shí)現(xiàn)了地表無(wú)破壞、周邊無(wú)損壞，全程安全順利.震源裝置為底部破膜定向激發(fā)，能量主要向下傳播，不會(huì)在地下形成空洞或造成地面塌陷；震源使用氣體為氧氣和甲烷，激發(fā)后產(chǎn)物是水和二氧化碳，基本不會(huì)對(duì)土壤及環(huán)境產(chǎn)生污染.

圖3 測(cè)線激發(fā)炮點(diǎn)和接收點(diǎn)位置分布(a) 測(cè)線附近地形圖； (b) 測(cè)線周邊區(qū)域地質(zhì)圖(修改自全國(guó)數(shù)字地質(zhì)資料館1∶20萬(wàn)地質(zhì)圖F4918幅數(shù)據(jù)，其中藍(lán)色線表示測(cè)線位置，紅色點(diǎn)斷線表示地質(zhì)資料推測(cè)化龍斷裂位置,線段AB為本次跨化龍斷裂布設(shè)的密集測(cè)線位置示意).Fig.3 The location distribution of shots (methane gas explosion) and receiver points in this experiment(a) The nearby topographic map of the profile, in which shots (methane gas explosion) are represented by green squares and the receiver points are showed as red squares； (b) The geological map of the profile (modified from 1∶200000 Regional Geological Map，the blue line denotes the profile, and the red dot-dash line represents the Hualong fault).

圖4 (a) 觀測(cè)系統(tǒng)示意圖(紅色星號(hào)為炮點(diǎn)，藍(lán)色三角形為檢波點(diǎn))； (b) 從10炮氣爆震源激發(fā)記錄中拾取的初至波走時(shí)散點(diǎn)圖Fig.4 (a) The schematic diagram of acquisition system, and red asterisk represents the shot, blue triangle denotes the receiver; (b) The travel-time scattering diagram of first arrivals picked from seismic records excited by 10 gas explosion source

2.2 走時(shí)層析成像

本次實(shí)驗(yàn)炮點(diǎn)和檢波器在測(cè)線上呈二維分布，故本次處理采用二維處理的方法.使用的處理程序?yàn)镚eogiga二維層析處理模塊.建立的觀測(cè)系統(tǒng)以最西南的炮點(diǎn)位置為坐標(biāo)原點(diǎn).二維投射后的觀測(cè)系統(tǒng)如圖4a所示，最大偏移距可達(dá)14.5 km左右，2～14 km檢波點(diǎn)覆蓋較好.斷層附近進(jìn)行了加密觀測(cè)，9～14 km跨斷層位置檢波點(diǎn)間距約為50 m.首先依據(jù)激發(fā)時(shí)間從短周期地震儀連續(xù)數(shù)據(jù)中截取炮集記錄，激發(fā)點(diǎn)位于斷層附近的炮集記錄見(jiàn)圖5所示，從該炮集記錄可見(jiàn)信噪比較高的初至波和直達(dá)波信號(hào)，其中初至折射波信號(hào)視速度V1約為4.35 km·s-1，直達(dá)波視速度V2約為1.5 km·s-1，直達(dá)波震相在記錄中發(fā)育較少，意味著該測(cè)線上低速層(第四系沉積層)厚度小且橫向不連續(xù).

圖5 氣爆震源激發(fā)的炮集記錄(震源位于10.2 km處，10～11 km部分可見(jiàn)明顯的直達(dá)波信號(hào))Fig.5 The seismograms of methane gas explosion source, the source is located at 10.2 km, and the direct wave signal can be recorded obviously at a distance from 10 km to 11 km

表3 一維平均層狀變化速度初始模型表Table 3 Initial model of one dimensional average laminar velocity

為了能夠準(zhǔn)確拾取更多的可用初至，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行帶通濾波處理.由于測(cè)線部分位置緊鄰公路，噪聲干擾較為嚴(yán)重，對(duì)主動(dòng)源信號(hào)及噪聲干擾進(jìn)行頻帶分析后選擇合適的帶通濾波參數(shù)，通帶范圍為30～120 Hz，可以有效地壓制公路上車輛行駛等引起的低頻面波信號(hào)，更好的突出主動(dòng)源體波信號(hào).隨后對(duì)10炮數(shù)據(jù)進(jìn)行逐炮逐道初至?xí)r刻拾取，拾取結(jié)果見(jiàn)圖4b，依據(jù)拾取的走時(shí)可以近似計(jì)算一維平行層速度初始模型，建立的速度模型如表3所示.層析計(jì)算的主要參數(shù)見(jiàn)表4所示，單炮集記錄上拾取走時(shí)和反演走時(shí)見(jiàn)圖6a所示，所有炮集反演前后走時(shí)擬合情況見(jiàn)圖6b.可見(jiàn)各炮反演走時(shí)與拾取走時(shí)擬合較好，特別是中小偏移距部分.反演所得的二維P波速度剖面及地質(zhì)解釋結(jié)果見(jiàn)圖7.

表4 反演主要參數(shù)表Table 4 The main inversion parameters

圖6 層析反演過(guò)程中炮集記錄的走時(shí)擬合情況(a) 經(jīng)帶通濾波后的炮集記錄及其初至波拾取走時(shí)(紅色點(diǎn))與擬合走時(shí)(綠色點(diǎn))； (b) 所有10炮記錄的拾取走時(shí)(黃色點(diǎn))和反演擬合走時(shí)結(jié)果(綠色點(diǎn)).Fig.6 The travel time fitting of seismogram in the process of tomography inversion(a) The seismogram after band-pass filtering as well as the first break picking travel time (red point) and fitting travel time (green point); (b) The picking travel time (yellow point) and inversion fitting travel time (green point) of all 10 shot records.

圖7 反演所得的二維P波速度剖面(a)及地質(zhì)解釋結(jié)果(b).結(jié)合圖3b地質(zhì)圖，6 km處的第四系分布與地質(zhì)圖中的由于水域覆蓋導(dǎo)致的不明地質(zhì)區(qū)域吻合，9 km以東為連續(xù)的第四系覆蓋區(qū)域，約11 km處橫向速度不連續(xù)位置與地質(zhì)圖中推測(cè)斷層位置吻合.Fig.7 The two-dimensional P wave velocity profile (a) and geological interpretation results (b)According to the geological map in Fig.3b, the distribution of Quaternary system at 6 km is consistent with the unknown geological area caused by water cover in geological map. The Quaternary coverage area is continuous in the east of 9 km, and the discontinuous position of lateral velocity at about 11 km is consistent with the fault position predicted in geological map.

2.3 成像結(jié)果分析

地質(zhì)勘察資料表明，該測(cè)線西側(cè)主要位于珠江三角洲沖積平原內(nèi)，地表為第四系所覆蓋，周圍無(wú)基巖出露.在地質(zhì)構(gòu)造上剖面處在西、北江三角洲斷陷區(qū)黃閣斷塊區(qū)的東部邊界地帶，黃閣斷塊區(qū)相對(duì)西、北江三角洲斷陷區(qū)屬于上升區(qū).如圖3所示，測(cè)線西側(cè)則有較多出露元古屆、下白堊統(tǒng)及燕山期花崗巖(梁干和吳業(yè)彪, 2013)，地貌上是低丘臺(tái)地，一般高程在30～50 m，個(gè)別近100 m.化龍以東三角洲堆積平原區(qū)域，地勢(shì)平坦，地表高程在1.5 m左右.測(cè)線地層?xùn)|北段基本呈水平形態(tài)，相對(duì)起伏變化不大，西南段相對(duì)起伏變化較大.

鉆孔調(diào)查的結(jié)果表明：該測(cè)線的覆蓋層底界埋深為12～30 m，風(fēng)化殼底界為36～59 m，這與根據(jù)層析速度結(jié)果圈定的厚度基本一致，在前人工作過(guò)程中，淺震測(cè)線13樁號(hào)2 670 m處同相軸錯(cuò)斷，鉆探結(jié)果表明該處存在的斷點(diǎn)為正斷層，視傾向北東，視傾角較陡(梁干和吳業(yè)彪, 2013)，該位置與本文成像結(jié)果所示的11 km處橫向速度突變位置吻合.淺層反射地震探測(cè)與鉆孔結(jié)果反映(梁干和吳業(yè)彪, 2013)化龍斷裂是一條走向北北西傾向北東東的正斷層，是西、北江三角洲斷陷區(qū)與黃閣斷塊區(qū)邊界斷裂，它向上錯(cuò)斷到T1地層界面，相當(dāng)于第四系覆蓋層的底界，斷層隱伏于第四系之下，晚更新世以來(lái)的沉積厚度由西向東逐漸變厚，鉆探揭露和物探顯示，斷裂兩盤(pán)晚更新世以來(lái)的沉積物厚度沒(méi)有明顯的突變，第四系層位無(wú)明顯變化，晚第四紀(jì)以來(lái)斷層無(wú)活動(dòng)跡象，沉積物也未受到擾動(dòng)，而在此之前形成的基巖風(fēng)化殼也未受到斷裂的錯(cuò)動(dòng).這與本文成像結(jié)果也吻合較好，11 km處橫向速度異常只存在于劃定的低速第四系范圍以下，第四系范圍內(nèi)平滑連續(xù)無(wú)異常.同時(shí)，考慮鉆探結(jié)果所揭示斷層?xùn)|西兩側(cè)具有巖性區(qū)別(梁干和吳業(yè)彪, 2013)，一側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化的細(xì)砂巖，一側(cè)為全-強(qiáng)風(fēng)化的混合花崗巖，這可能是速度剖面中第四系低速下方斷層兩側(cè)速度差異明顯的原因.

2.4 成像結(jié)果與背景噪聲HVSR對(duì)比分析

HVSR (horizontal-to-vertical spectral ratio)，是基于背景噪聲波形記錄研究淺地表結(jié)構(gòu)的單臺(tái)方法，HVSR 定義為地動(dòng)信號(hào)的水平分量和垂直分量的頻譜比，其中水平分量包括了三分量地震儀中的南北(N-S)和東西(E-W)分量：

(1)

根據(jù)(1)式，對(duì)接收氣爆震源數(shù)據(jù)的儀器記錄截取部分噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了HVSR計(jì)算.在計(jì)算過(guò)程中，為了剔除各種瞬態(tài)干擾，使用了反觸發(fā)式的長(zhǎng)短時(shí)窗平均振幅比(Short Term Average/Long Term Average)法識(shí)別穩(wěn)定的有效地脈動(dòng)信號(hào).窗口長(zhǎng)度設(shè)為50 s，窗口重疊率20%，使用5%的漢寧窗進(jìn)行尖滅處理，長(zhǎng)時(shí)窗與短時(shí)窗長(zhǎng)度分別取為10 s和0.2 s，觸發(fā)閾值設(shè)置為5，考慮不同儀器可能出現(xiàn)的一致性不同的問(wèn)題，特別是低頻響應(yīng)的不同，僅使用178臺(tái)EPS-2型儀器的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，使用的數(shù)據(jù)總時(shí)長(zhǎng)為24 h.計(jì)算所得的共振頻率結(jié)果見(jiàn)圖8a所示，可見(jiàn)共振頻率峰值均在1～3 Hz之間，符合廣州地區(qū)已有的計(jì)算結(jié)果(宗健業(yè)等，2020).

圖8 HVSR分析結(jié)果及其與地震層析結(jié)果對(duì)比(a) HVSR計(jì)算所得的卓越頻率分布; (b) 利用經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)化成深度剖面上的HVSR譜比值分布; (c) HVSR譜比峰值位置(紅色圓點(diǎn))在層析速度剖面上的投影結(jié)果.Fig.8 HVSR analysis results and their comparisons with tomography results(a) The predominant frequency distribution calculated by HVSR; (b) Converted into the projection result of HVSR spectral ratio distribution; (c) Its peak position (red dot) on the depth profile by using empirical formula.

獲得卓越頻率后，使用經(jīng)驗(yàn)公式可以快速計(jì)算沉積層厚度，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)使用經(jīng)驗(yàn)公式得到了北京和保定地區(qū)沉積層分布(王偉君等，2009；陳棋福等，2008)，與已有研究結(jié)果如地質(zhì)剖面圖等都具有很好的一致性，Bao等(2018)使用該方法對(duì)唐山等地區(qū)進(jìn)行了沉積層厚度測(cè)定，結(jié)果較為可靠，也有學(xué)者在山東地區(qū)開(kāi)展了相應(yīng)研究，結(jié)果與SPAC成像結(jié)果吻合(Tian et al.,2019).以上研究表明經(jīng)驗(yàn)公式在國(guó)內(nèi)不同地區(qū)都具有很好的適用性；而在廣州地區(qū)，前人根據(jù)鉆孔資料對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過(guò)(2)式獲得的沉積層厚度與實(shí)際厚度更為符合(宗健業(yè)等，2020)，本文使用公式(2)將HVSR放大系數(shù)由頻率域轉(zhuǎn)化成深度域，結(jié)果見(jiàn)圖8b，拾取其峰值，并按其位置及深度投影到速度層析剖面上如圖8c，與速度層析結(jié)果圈定的第四系沉積底界面位置吻合較好.

由圖8可見(jiàn)，整條測(cè)線HVSR峰值頻率均在1～5 Hz之間，3 km處、6～7 km處為地形低洼區(qū)域，此處HVSR峰值頻率較低，譜比值較大，與圖7中走時(shí)層析反演結(jié)果吻合，以及10 km以后區(qū)域存在連續(xù)性較好的低頻率高譜比值數(shù)據(jù)分布，與層析結(jié)果及地質(zhì)圖中第四系區(qū)域吻合.13.5～14 km放大系數(shù)部分超過(guò)10甚至15以上，由于此處觀測(cè)儀器多位于金山大道旁，可能和密集車輛引起的交通噪聲有關(guān)，但10 km以右普遍高于10 km處以左，特別是5～10 km之間，表明10 km處兩側(cè)存在沉積層物性差異，10 km以右靠近珠江區(qū)域，沖積出來(lái)的淤泥質(zhì)沙土等廣泛存在，放大倍數(shù)較大很可能與此有關(guān)，與此同時(shí)，計(jì)算結(jié)果揭示此區(qū)域內(nèi)沉積層厚度與其他區(qū)域相比厚度較大，達(dá)到30 m左右，與走時(shí)層析結(jié)果及前人勘探結(jié)果一致.

3 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

氣爆震源能量較強(qiáng)，基本可以滿足主動(dòng)源近地表勘探的需求；與炸藥震源相比，氣爆震源的環(huán)境友好性相對(duì)更好，施工便利，安全可控，可在城市地區(qū)使用.在廣州市跨化龍斷裂測(cè)線的測(cè)試結(jié)果表明，基于新型氣爆震源的地震走時(shí)層析成像可以獲得較高精度的淺層結(jié)構(gòu)信息.

受限于成本和城市地區(qū)激發(fā)環(huán)境的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)勘探地震中的密集激發(fā)、密集接收的觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)模式，區(qū)域尺度地震成像工作多以稀疏激發(fā)、密集接收的方式進(jìn)行.這種觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)下，傳統(tǒng)成像方法面臨挑戰(zhàn).走時(shí)層析成像是一種計(jì)算地下介質(zhì)地震速度的重要方法，利用密集觀測(cè)稀疏主動(dòng)源激發(fā)的方法可進(jìn)行較高精度小尺度體波成像，但目前使用的普通層析方法僅僅利用了走時(shí)信息，如果對(duì)主動(dòng)源記錄的波形信息加以利用，對(duì)成像的可靠性和精度的提高應(yīng)該具有較好的預(yù)期.

致謝謹(jǐn)此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.感謝偉博震源科技有限公司的震源激發(fā)工作，感謝南方科技大學(xué)郭震團(tuán)隊(duì)提供的數(shù)據(jù)觀測(cè)支持，感謝中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫天為博士生提供的HVSR批量處理程序.