海底地质勘测 -海底勘探设备包括

/ |- L% ^" M j: a

海域隐伏孤石勘探要求的分辨率高，对工程勘察和工程物探都是疑难问题。地震散射勘探技术不但分辨率高，而且数据采集灵活，特别适合水上勘探。在珠海横琴隧道海底孤石的勘测中，在GPS的引导下通过反复航行采集，实现了2mX1m的网格密度。联合10400个炮点数据，经过双曲滤波、速度扫描，获得了轴向1m、横向2m、垂向0.5m间距的三维速度分布和地质界面结构。由此获得了基岩与孤石的高程、平面、剖面、断面位置的分布。勘探发现了26处孤石，其中有9处直径超过3m。指导了孤石的工程处理，保证了隧道的顺利施工。

我国广东、福建、浙江等东南沿海地区，花岗岩广泛分布。花岗岩风化不均匀，残留有大小不等的孤石和基岩突起，对地铁、公路隧道的盾构施工安全形成严重威胁。海域内埋深30-40m、直径1-2m以上的孤石，对工程勘探是一个疑难问题。用钻探方法排查工程量太大，用反射地震方法探测分辨率不够，用浅层剖面法探测深度不够。在珠海横琴隧道海底隐伏孤石的勘探中，使用了地震散射勘探新技术，取得了良好的效果，基本查清了隧址区2m以上隐伏孤石的分布。

" _) i0 x3 s" o

地震反射基于分层均匀地质模型，而地震散射是基于非均匀地质模型的勘探方法，因而地震散射是地震反射的升级版，具有更高的分辨率。地震散射理论最早是由K.Aki （1980）在所著的‘定量地震学’中提出来的。他在研究地震波在非均匀的地壳与上地慢中传播时，发现在密度和弹性模量非均匀情况下会产生散射波。推导了散射波产生与传播的控制方程，并给出了散射波场的理论解。上世纪80-90年代，应用散射波理论研究地球深部结构的非均匀性曾取得丰硕的成果。N.布莱斯坦等在地震成像方法研究中，用速度异常表征地质体的非均匀性，也推导出类似的地震散射波方程。两者的物理含义是完全相同的，但N.布莱斯坦的表达方式更为简捷。从K.AKI提出地震散射理论到现在已经40多年过去了，散射理论在地震勘探领域并没有引起足够的重视，目前国内外的地震勘探仍然采用反射方法。

# T) V# s% V$ X+ z8 Y- ~; v

工程物探研究地球浅表的地质结构，其非均匀性尤为突出，特别需要散射勘探方法。2006年赵永贵率先将地震散射理论应用于隧道超前预报中，开发出TST隧道超前预报技术。2011年又开发出SSP地震散射勘探技术，并将其应用到岩溶、孤石、采空区、道路脱空、注浆加固等疑难地质对象的勘查与评价中，取得了满意的效果。SSP基于非均匀地质模型，用散射波代替反射波，分辨率大大提高，使得地震方法在山区及复杂地质条件场合的应用有了新的希望，为工程物探高分辨勘查提供了新的手段。

地震散射勘探与反射勘探在技术层面上有很多不同点，主要表现在一下几个方面：

6 `8 d5 b+ z* v8 }2 C7 U" K7 T

1） 数据的采集方式不同。反射地震主要采用大排列多次覆盖采集技术，而散射地震采用

小排列密集采集技术，因而记录能反映局部地质特性；

2）数据的处理方法不同。反射地震是以CDP道集为对象，通过多次覆盖消除局部干扰，获得趋势性反射界面；散射地震是以共炮点记录为对象，获得炮点附近的垂直速度结构，横向分辨率更高；

- e+ I, i: E7 B

3）成果的展示方式不同。反射地震勘探目标是获得反射时间剖面，地层的波速需要由测井来提供；散射地震是以表征地质结构的非均匀性为目标，除了用散射强度表征地质界面形态之外，主要用波速分布来展现地质结构的非均匀性，波速分布对岩土的工程力学性质的解释更有意义。

上述各项技术特点足可以使地震散射技术在工程物探领域独树一帜。几年来在北京地铁14号线甜水园注浆效果评价、贵州地铁岩溶勘察、京沈客运专线柴河大桥岩溶勘查、江苏隧道选址等工程中都取得了很好的效果，确实证明了地震散射技术是一种行之有效的勘探手段。

: x1 ]7 r7 H1 j7 p% m; Z/ M1 i

采用地震散射技术对珠海横琴海底孤石勘探结果的钻探验证已经另文发表。这里仅对方法的原理、水上数据采集特点、数据处理的核心技术以及勘探结果的使用方法做系统介绍。

2 地震散射法勘探的基本原理

地震散射理论是非均匀地质模型下弹性波传播的理论，当然也适用于均匀介质场合。在均匀弹性介质中，地震波传播的控制方程为：

5 ~/ o9 N2 r- A( c* |

这是一个齐次方程，其中波速v为常数。该式表明，在均匀介质中地震波是沿直线传播。当遇到边界时才产生反射波与折射波。

% S# B8 t* e2 R/ w# z3 A

在非均匀地质体中，波速v是空间的分布函数。N.布莱斯坦将波速分布表示为缓变波速v0和陡变系数α(r)的组合形式；

' v8 R' B) q6 L

, p, L6 y o, C+ k- v4 S

这里的α（r）是波速平方差的百分比，实际上是介质力学模量差异的百分比，称为散射系数，其物理作用类似于反射系数。它仅在非均匀介质的界面上不为零。

5 a4 P9 ]- w3 @

在非均匀介质中，地震波场不但有入射波，还有散射波。总的波场u是入射波uI 与散射波us之和；

{/ F, n* O \. m$ v; y& f1 |

将（2）和（3）式带入到（1）式，在散射波us比入射波uI小得多时（波恩假定）有；

9 E: S- [+ v: s' s7 t

得到非均匀介质中入射波与散射波分别满足的控制方程：

1 P5 n0 d7 U' u# k3 @" n6 k/ v8 x( E; h8 F

该方程组是地震散射勘探的理论基础。其中前一方程为入射波的传播规律，后一方程为散射波的传播规律。散射波方程为非齐次方程，右端项为等效力源。该式表明，入射波场激励的加速度与散射系数之积是产生散射波的力源。该散射力源具有点源的特点，向周围发射散射波。散射波的强度与散射强度、入射波激励强度成正比。

散射勘探中地表记录到的散射波是地下各散射体的散射之和（K.Aki，1978）：

- h$ H# n5 A0 F+ M6 e- V' u

该式表明，散射波记录与散射强度α（r）的大小、入射波激振的加速度成正比，与散射体的距离成反比。由于散射体的局部性，散射波的传播具有局域性。

! A9 X9 L0 @& r. l

既然每个接收点的记录包含着附近区域所有散射体散射波的总合，就可通过多点激发和多点接收的散射记录，重建地下散射系数α（r）的分布与波速V0分布的图像。这两点就是地震散射波勘探的基本目标。

7 f5 l+ j, g" j: p u& ^

散射波法勘探的目的是获得散射系数α的分布和V0的分布。前者代表地质界面的位置，后者直接反应地层的岩性与力学性状。这两幅图像可以展现非均匀地质结构的基本特征。低波速表示地层松散、风化强烈、疏松、岩溶、空洞、断层带等，高波速对应岩体完整、孤石、注浆体等地质与工程对象。

3海底孤石勘探中的数据采集

$ F; z. d; q4 S- a% o

海底孤石勘探要求分辨1-2m以上的孤石，这需要在水上进行的密集地数据采集。由于水流和风速的影响，船速不能太低。若采用反射地震法，在一次航程中要完成一个剖面1-2m间距的密集采集是不可能的。而散射地震法在水上实现高密度集采是很容易的。

2 ^( n5 [7 u/ x

地震散射采用小排列，每次激发都可得到炮点的垂直速度剖面，没有剖面的要求。只要有GPS定位，就可以进行反复航行采集，直至炮点密度达到设计要求。联合所有炮点数据，即可组成测区的三维数据结构。

本次勘探区沿隧道轴向长400m，横向60m。炮点间距轴向1m，横向2m，测点网格状布置。使用24道水听器，间距0.5m，偏移据1m。使用3万焦耳电火花震源，每分钟激发一次，共采集10400炮记录。有效勘探深度超过80m。采集方式如图1所示。

; d @1 D, D( w) t

: x+ j$ i& v2 b

3 隧道工程地质概况

( y4 G" Y: X% R3 Z4 E

珠海横琴隧道为横琴岛的第三条交通通道，穿越马骝洲水道，水深6m。隧道长约600m，直径约15m，最大埋深34m，双线盾构法施工。前期工程地质勘探结果表明，隧址区浅部为海相沉积，下部基岩为花岗岩，埋深在38-40m左右。工程勘察中发现隧道埋深范围内存在孤石，隐伏于强风化层中，影响盾构法施工。需要查清直径2m以上的孤石与基岩突起的分布。隧道地质断面如图3.

图3 海底隧道地质断面

4 散射地震数据处理技术

+ E) o% K: b; \ p0 x) ^9 }! i

散射地震勘探是采用小排列、密集采集的方式。最大偏移距小于目标深度的1/2。用炮点记录生成的垂直速度剖面就可以代表炮点下方的地质结构，这是地震散射数据处理的基本理念。因此散射地震数据处理的核心就是从单炮记录生成垂直速度剖面，联合所有的速度剖面组成三维速度结构这两个环节。单炮记录生成垂直速度剖面是数据处理的中心环节，包括以下二项关键技术。

1）方向滤波

6 W5 D7 n4 n+ d1 ]

方向滤波是散射地震数据处理的关键技术。因为散射波较弱，容易被各种干扰掩盖。滤除直达波、面波与环境干扰是常规的滤波技术。水域勘探中多次波是最主要干扰，这里采用双曲滤波技术进行滤波。图4A、B是双曲滤波前、后的记录比较。可以看出直达波和多次波基本被滤除了。

8 p9 A# L7 o9 K

2）速度扫描

速度扫描是从散射波记录构建垂直速度剖面的关键技术。速度扫描是通过Radon变换

将空间-时间域地震数据变换到时间-波速域中。在时间-速度域中，纵坐标时间是垂直散射双程时，横坐波速度是上覆地层的平均波速。变换公式如下。

; k9 X; w- o5 k

其中x为偏移据，τ为垂直散射双程时，v为平均波速。扫描结果如图4C。

# H. d8 Y w/ u; n5 q7 t9 S

扫描图像中的每个能量极值点都代表一个散射界面。极值点的纵坐标为界面的双程时，横坐标为界面上覆地层的平均波速。很容易由此计算出极值点对应的界面深度和层速度曲线（图4D），这就是所求的垂直波速曲线。曲线中显示了各界面的深度与各地层的波速。

9 I7 y4 L$ K/ m

图4 速度剖面处理流程与结果

/ F3 n% s; b% G( z6 F, A! T

3）偏移成像

偏移成像是由地震散射记录重建地界面分布的一种反演算法。偏移成像可获得地质界面的形态分布，其成像的物理量就是散射系数α。像反射系数一样，α有正负和大小，代表地层模量差异的正负和大小。偏移计算生成的地质界面与速度剖面的界面位置是一致的，两者可互相印证，偏移成像的界面连续性更好，且与反射地震的时间剖面有些类似，更常被使用。

1 k6 G/ w; R- q8 p

偏移成像的数学基础是方程（6）的逆问题。经过对震源的归一化处理，对于n个激发点与m个接收点的地震记录数据的偏移成像计算由下式给出：

% X6 i" i4 j' w' \& A/ V4 }

其中r为像点位置矢量，ri、rj分别为激发点、接收点位置矢量；vi、vj分别为入射波与散射波的波速；uij为第i次激发第j个接收点的记录。

因为散射地震使用小排列采集方式，因而偏移成像的计算实际上是小角度范围内地震记录的叠加，而不像反射地震CDP道集那样大偏移距数据的合成，因而保有较高的横向分辨率。

5 海底孤石的勘探结果

9 s* @. D( F3 L3 v' Y8 w1 z6 i/ r

经过数据处理，生成勘探区三维波速分布与地质界面分布的数据结构。数据在隧道轴线方向点距1m，横向方向点距2m，垂直方向点距0.5m。该三维数据结构支持水平、纵向、横向切片分析。测区基岩的波速为2400m/s，根据这个速度值可确定了隐伏基岩与孤石的高程平面分布。对三维数据结构进行纵、横、水平方向的切片，给出波速与地质剖面。从埋深20m到50m给出30幅水平切片，间距1m；按隧道里程给出波速横切片300幅，间距1m。这些切片直观、准确地反应了孤石的空间位置。

勘探发现与隧道有关的孤石与基岩突起26处，其中直径大于3m的9处。这些结果指导了孤石处理工作，保证了隧道于2017年顺利完工。这里对勘探结果作简要介绍，孤石的验证与处理结果已经另有文章发表。

. N( s+ e3 {( _9 h

（1） 测区基岩与孤石高程的分布

根据勘探得到的300m×60m×60m三维速度结构，取出波速达到2400m/s的最浅埋深数据，绘制成基岩高程图（图5）。其中红色埋深最浅，不到30m，其次为黄色，蓝色、深蓝色埋深大。图中多数地域基岩埋深在38-40m。红黄色的基岩突起与孤石只是零星分布，主要集中在测区内的左侧随道。

' P# ^) I" Z: K" b! H3 Q

图5 测区基岩与孤石高程分布图

7 B( R0 \9 b0 R" k& O; N

（2） 隧道纵断面地质界面与波速分布图

从三维波速结构与偏移数据中，沿隧道轴向做垂向切片，获得地质界面和波速分布图纵断面图（图6a，6b），长300m，深60m。图6a为偏移图像，反映地层、基岩的界面形态，埋深30m以内，界面近水平层状，反应海相沉积特点；30m以下界面起伏较大，反应基岩的形态特征；

" Z% I1 S9 @4 ?4 ? O5 u. D" m: {

6 C' P' a- q9 W7 ~# A" D& n' j

图6a 隧道轴向偏移成像剖面

图6b为波速分布图像，红色为高波速，波速高于2400m/s, 对应中风化基岩与孤石；蓝色为低波速, 1450m/s，海水和淤泥；浅部30m内基本为波速低于1800m/s的海相沉积；30-40m深度为中等波速（1800-2400m/s）的全风化与强风化层。40m以下为红色的、波速高于2400m/s的中等风化岩。在强风化岩中存在波速高于2400m/s的异常体，为孤石与基岩突起。

8 a9 }9 f+ K$ p+ t. v# D

7 K+ J- S, R' h7 P% x, {) a

图6b 隧道轴向波速分布剖面

6 ?. z9 A2 Z' O

（3）水平切片与孤石位置

水平切片能直观地反映孤石的平面位置，这里选择埋深33m的水平切片（图7）。图中红色表示的波速高于2400m/s的孤石与基岩突起；棕褐色表示波速为2000-2400m/s，强风化岩；黄色为波速1800-2000m/s的全风化与黏土。图中黑色椭圆曲线表示隧道的交线，由此可直观地发现与隧道有关的孤石的位置，并进行了编号统计，发现多数孤石分布在左侧隧道位置。

图7埋深33m的波速水平切片与孤石位置

（4）横切片中隧道与孤石的关系

沿隧道里程每米得到1幅波速横切片，其中用黑色标示出了隧道的截面位置。红色为波速高于2400m/s的岩体，包括基岩突起与孤石。这里选择3幅基岩突起与隧道相交截面，展示隧道与孤石的关系（图8）。图中的形态说明大部分所谓的孤石，其实是基岩突起，是有根的，并不是传统意义上的飘石。

图8 波速横切片中的隧道与孤石

6 钻探验证与处理结果

/ k& `0 W; Q0 r

物探工作结束后，从2016年1月29日到3月11日，对物探结果进行了钻探验证；2016年5月20日到7月31日，对孤石进行爆破处理，共完成钻孔2426个。证实物探与钻探的吻合率达到90%，平均深度误差在1m以内。钻探验证与处理的结果已另文发表。 物探工作对孤石的处理起到了指导作用，保证了隧道盾构2017年顺利完工。

7 结论

- i7 y( O3 V: {% Y' I

孤石的探测在工程物探领域是一个十分困难的问题。珠海横琴海底隧道孤石的探测结果得到了钻探与处理的证实。这为海域孤石探测技术提供了新的选择。地震散射技术在城市道路、地铁工程、隧道病害、岩溶、注浆体等探测领域经过有多年的应用，证明了该技术具有较高的分辨率和可靠性。特别是波速成像，清楚地展现了岩土介质的工程特性，更便于工程应用。

+ Q0 `, i, d( P; x( @6 g& J* N/ T