在所有的地球物理勘探方法中，反射波地震勘探是分辨率最高的一种探测方法^[1-2].在过去的30余年中，反射波地震勘探经历了从二维到三维、从单分量到三分量的发展历程，现已成为油气田勘探开发中不可缺少的技术手段.随着现代地震仪器设备、数据处理与解释技术的不断进步，多波多分量地震勘探方法在油气田勘探开发中日益受到重视，在预测岩性和流体、确定裂隙分布、各向异性研究以及气云区成像等方面，可最大限度地减小单一纵波勘探的多解性，从而极大地提高了复杂隐蔽性油气藏勘探开发的成功率^[3-7].

浅层地震反射波勘探作为探测研究地壳浅部结构与构造的一种有效技术手段，在工程和活动断裂调查等方面得到了广泛应用，但由于各种条件的限制，目前，在浅部结构和构造探测中，还主要采用的是单分量纵波或横波勘探方法，尤其是在隐伏活动断裂探测中，过去还没有开展多波多分量地震勘探的先例.我们知道，浅层横波勘探的分辨率高，对近地表结构和构造的成像效果较好，但横波的激发比纵波难，且探测深度较浅；浅层纵波易于激发，且探测深度大，但纵波的分辨率比横波低，对近地表结构和构造的成像效果较差.因此，综合利用浅层横波和纵波勘探的优点，可改善对浅部结构和构造的成像效果，提高探测结果的精度和分辨率.多波多分量地震勘探方法是一种既可获得纵波、也可获得横波和转换波信息的探测方法，于是我们设想，在隐伏活动断裂探测中，利用多分量地震勘探获得的纵波信息分析研究断裂的深部特征，利用水平分量上获得的横波、转换波和钻孔信息，研究断裂的近地表特征及其活动性.另外，联合应用获得的纵波、横波和转换波信息也可为地震资料解释施加更多的数据约束，进而提高隐伏断裂解释的可靠性.

为探索多波多分量浅层地震勘探方法在隐伏活动断裂探测中的应用，2009 年，作者在北京地区的黄庄-高丽营断裂上开展了纵波和横波可控震源激发、三分量检波器接收的浅层地震探测试验，通过精心设计和施工以及有针对性的数据处理方法，取得了较高信噪比的浅层纵波、横波和转换波叠加剖面以及非常清楚的断层成像结果.本文在简要介绍三分量浅层地震试验数据采集、资料处理方法，以及取得的初步结果的基础上，探讨了三分量浅层地震勘探方法在隐伏活动断裂探测中的可行性.另外，还结合跨断层的钻孔联合地质剖面资料，对黄庄-高丽营断裂的近地表结构及其活动性进行了研究.

黄庄-高丽营断裂是北京地区一条重要的隐伏活动断裂，为一级新构造单元的分界正断层.第四纪时期，该断裂向北扩展，形成顺义鲁疃和怀柔庙城第四纪次级凹陷^[8].已有研究表明，该断裂以NW 向的南口-孙河断裂为界可分为南北两段(图 1a)，且南北两段具有不同的断裂活动性^[8-9].近年来，在南口-孙河断裂以北的北七家附近进行的浅层地震和钻孔联合地质剖面探测结果显示，其活动时代为晚更新世^[10].在南口-孙河断裂以南的天通苑和奥林匹克公园地区(洼里附近)开展的浅层地震和钻孔联合地质剖面探测结果显示，其活动时代分别为中更新世和早更新世^[11-12].由此可见，黄庄-高丽营断裂的活动性自北向南逐渐减弱.为便于与已有的研究结果进行分析和对比，检验三分量浅层地震反射方法的有效性，我们把本项研究的试验剖面选择在了黄庄-高丽营断裂北段的北七家附近，其试验剖面长度为600m(图 1b).

图 1

Fig. 1

图 1 研究区地质构造（a)和试验剖面位置（b)红色虚线为隐伏断裂；黄色实线为三分量浅层地震剖面；①南口山前断裂；②南口 一孙河断裂；③小汤山断裂；④黄庄.高丽营断裂；⑤顺义一前门断裂；⑥通县一南苑断裂. Fig. 1 Geological structure in the research region (a) and location of test profile (b) The red dotted lines are buried faults； the yellow solid line s location of three-component shallow seismic profile； ① Nankou range-front fault；② Nankou-Sunhe fault;③ Xiaotangshan fault;④ Huangzhuang-Gaoliying fault； ⑤ Shunyi-Qianmen fault；⑥ Tongxian-Nanyuan fault.

获得能反映地下结构和构造特征的纵波、横波和转换波信息是本次三分量浅层地震探测试验的关键.在均匀各向同性水平介质中，P波一般不转换P-SH 波，SH 和SV 波也不产生SH-P、SH-SV 以及SV-SH 波的转换，但地下介质实际上是不均匀、各向异性的，同时还可能存在有地层岩性和构造的复杂变化，这为利用多波多分量地震勘探方法获得可能的P-SH、SH-SV 和SV-SH 等转换波信息提供了前提^{[2, 13]}.

地震波激发是地震数据采集的关键.在浅层地震勘探中，除炸药震源外，机械可控震源是目前使用较多的一种地震波激发源.研究表明^[13-14]，纵波可控震源在激发纵波的同时，其机械振动器在起振时，往往会伴有瞬间的水平振动，因此，利用水平检波器有可能记录到一定能量的横波信息；而横波可控震源在激发横波的同时，其振动器不可避免地也会产生瞬间的垂直振动，从而利用垂直检波器记录到纵波能量，尤其是在小偏移距记录道上，可控震源的这种额外振动现象更为明显.因此，在道间距较小的三分量浅层地震接收排列上，有可能在纵波可控震源激发的水平分量道集上得到横波，而在横波可控震源激发的垂直分量道集上获得纵波.

基于以上分析，为了在三分量浅层地震试验记录上得到纵波、横波和转换波信息，在地震波激发时，分别使用了美国Metrz公司生产的纵波(M615)和SH 波(M612)可控震源.本项试验的地震波接收采用了固有频率60 Hz(P 波)和28 Hz(S 波)的三分量地震检波器.地震数据采集使用了600 道法国SERCEL 公司生产的SN408UL 遥测数字地震仪，其中，360道为有效工作道(每个分量120 道)，240道为备用道.为确定三分量浅层地震反射试验的数据采集参数，在数据采集前，我们进行了可控震源激发参数试验和地震波场调查.通过现场试验确定的数据采集参数见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 三分量浅层地震反射试验数据采集参数 Table 1 Data acquisition parameters of the three-component shallow seismic reflection tes

表 1 三分量浅层地震反射试验数据采集参数 Table 1 Data acquisition parameters of the three-component shallow seismic reflection tes

图 2给出了P波可控震源激发、三分量接收的共炮点道集记录.由图可以看出，试验记录上的地震波场非常复杂.在垂直分量(Z分量)的共炮点道集上，反射能量较强、视速度较高的浅层P-P波反射主要位于700ms以浅的远炮点记录道上，而在近炮点记录道上，主要为视速度和频率较低的面波.犢分量的共炮点道集在远炮点记录道上显示出了非常弱的信号能量，这表明P-SH 转换波的能量异常微弱，而在近炮点记录道上，主要以强能量的低频、低速、多相位的双曲线同相轴为主；对比SH 波可控震源的共炮点道集(图 3)可以发现，这些多相位的低频、低速双曲线同相轴，与图 3 水平分量上的横波反射特征相一致，故认为这些双曲线同相轴可能是P 波可控震源振动器瞬间的水平振动而产生的横波反射.在X分量的共炮点道集上，无论远炮点记录道还是近炮点记录道都显示出了较强的信号能量，远炮点记录道上主要为能量较强的P-SV 转换波，其视速度明显低于垂直分量上P-P 反射波的视速度；而近炮点记录道上强能量的低频、低速双曲线同相轴可能为横波反射.

图 2

Fig. 2

图 2 P波可控震源的三分量共炮点道集 Fig. 2 Three-component common-shot gathers from P wave vibroseis

图 3

Fig. 3

图 3 SH波可控震源的三分量共炮点道集 Fig. 3 Three-component common-shot gathers from SH wave vibroseis

采用SH 波可控震源激发、三分量接收的共炮点道集(图 3)表现出了较高的记录信噪比.在犢分量的近炮点记录道上，多组能量较强的SH-SH 波反射非常清楚，这些横波反射在共炮点道集上表现为明显的反射双曲线形态，且具有多相位、视速度和视频率较低的特点；随着深度的增加，这些横波反射同相轴的视速度变高，其接收窗口逐渐增大；而在犢分量的远炮点记录道上显示出了非常弱的信号能量，其特征与图 2 中的犢分量特征相一致，说明地下介质不具备产生强能量SH-P 转换波的条件.Z分量的共炮点道集显示了以P 波震相为主的波场特征，我们认为这些P 波震相主要是由于SH 波可控震源振动器瞬间的垂向振动所产生的纵波.在X分量道集的近炮点记录道上，显示了以低频、低速双曲线同相轴为主的横波反射，而远炮点记录道上，主要以视速度低于纵波、高于横波的反射震相为主，其特征与图 2中的X分量道集上P-SV 转换波特征相同；分析认为，SH 波可控震源振动器的瞬间垂向振动产生的P波，可能是X分量远炮点记录道上出现P-SV 转换波的原因.

从上述对原始共炮点地震记录特征的分析可以看出，本次三分量浅层地震反射试验所获得的地震波信息是非常丰富的，其震相主要包括P-P 和SH-SH 反射波以及P-SV 转换波，除此之外，还包含有P波可控震源水平分量道集上出现的横波、SH 波可控震源垂直分量道集上出现的纵波、以及可能的转换波信息.由于原始地震记录上的地震波类型非常复杂，且有些震相类型还不能被可靠确定.因此，本项研究中仅对获得的P-P、SH-SH 和P-SV 数据进行了资料处理，有关记录上存在的其他几种地震波震相，目前还在对原始资料作进一步的分析、对比和处理.对于P-P、SH-SH 波反射数据，本文采用了与常规单分量地震反射资料数据处理相同的方法，文中不再论述.下面主要讨论与P-SV 转换波资料处理有关的静校正、速度分析和动校正问题.

地震资料的静校正是地震数据处理的关键环节.对于纵波震源激发获得的P-SV 转换波资料来说，其静校正主要包括炮点的纵波静校正和检波点的横波静校正两个部分.炮点的纵波静校正与常规的静校正方法相同，而检波点的横波静校正与纵波完全不同.我们知道，潜水面是纵波的良好物性分界面，含水后的风化层通常有着较高的体积模量和较高的纵波速度，因此，可把潜水面作为纵波低速带的底面.对于横波而言，由于切变模量不受水饱和度的影响，对横波速度几乎没有影响，因此，纵波和横波的低速带厚度是不一致的.为了获得P-SV 转换波资料静校正所需要的近地表结构和纵、横波速度参数，研究中采用浅层地震纵、横波折射方法进行了表层结构调查.图 4为获得的近地表纵、横波共炮点地震记录(道间距1 m、120 道接收，锤击震源).可以看到地震记录上的纵、横波初至(图中红色虚线)较为清晰，易于识别和拾取.图 5为采用初至波层析成像方法得到的表层纵、横波速度模型，可见，沿剖面的表层纵、横波速度相对稳定，总体上纵波速度大约为横波速度的6~8倍.浅层较大的纵横波速度比意味着近地表介质较为松散，横波的静校正量显著大于纵波.

图 4

Fig. 4

图 4 近地表纵波（a)和横波（b)共炮点道集 Fig. 4 Common-shot gathers of P-wave (a) and S-wave (b) from near-surface

图 5

Fig. 5

图 5 近地表纵波（a)和横波（b)速度结构模型 Fig. 5 Velocity structure model of P-wave (a) and S-wave (b) in near-surface

本次转换波资料的静校正处理以获得的表层纵、横波速度结构模型(图 5)作为约束，并结合地表一致性剩余静校正方法取得了较好的处理效果.图 6为静校正前、后的转换波叠加剖面对比，可以看到，经过静校正处理后，反射波同相轴的连续性得到了明显改善，剖面信噪比和地下构造的成像效果显著提高.

图 6

Fig. 6

图 6 静校正前（a)、后（b)的P-SV转换波剖面对比 Fig. 6 Comparison of the P-SV converted wave section before (a) and after (b) static correction

转换波与常规纵波或横波不同的地方在于射线路径的不对称性，其走时曲线不是双曲线.因此，常规纵波或横波资料的抽道集、速度分析和动校正方法均不适用于转换波资料处理.转换波资料的共转换点(CCP)道集抽取、速度分析和叠加是提高剖面信噪比和构造成像效果的关键，而建立剖面上不同深度的地层纵、横波速度模型是数据处理的重点.本项研究的数据处理中，我们首先利用获得的P-P 波和SH-SH 波反射数据，采用常规的反射地震数据处理方法得到了试验剖面的纵、横波叠加速度及纵、横波速度比(图 7)，然后以此为依据来计算共转换点的位置，采用各向异性近似公式对共转换点道集进行速度分析和动校正，最后得到转换波叠加剖面.另外，由于本项试验采用了排列内部激发、双边不对称接收的观测系统，由此获得的X分量上的正、负偏移距记录有着相反的信号极性，因此，数据处理中把负偏移距记录道上的信号极性进行反转是非常必要的^{[2, 15]}.

图 7

Fig. 7

图 7 试验剖面上的Vp/Vs分布 Fig. 7 Distribution of Vp/Vs on the test profile

图 8给出了本项试验获得的浅层地震P-P 波、P-SV 转换波和SH-SH 波叠加时间剖面图.由图可以看到，无论是纵波和横波反射叠加剖面，还是转换波叠加剖面均表现出了较高的信噪比，而且，剖面所揭示的地下界面展布和断裂构造特征也非常清楚.

图 8

Fig. 8

图 8 浅层地震波P-P波(a)、P-SV波(b)和SH-SH波(c)叠加剖面和相应剖面频谱(d)(e)(f) Fig. 8 Stacked section of shalow seismic P-P wave (a), P-SV wave (b) and SH-SH wave (c) and frequency spectrum (d),(e),(f) corresponding to (a),(b),(c)

P-P反射波叠加时间剖面(图 8a)清楚地揭示了第四纪覆盖层内部的地层展布和黄庄-高丽营断裂的浅部特征.在剖面桩号360 m 附近，可看到该断裂切错了剖面上的所有地层界面反射，且随着深度的增加，其断距逐渐增大.在埋深约30 m 的T1 界面上，该断裂的断距约为8~10 m；深度65~70 m左右(T_Q3反射面)，其断距约为20~22m；深度195~200m 左右(T_Q2反射面)，断距约为60~65 m；在第四系底界(T_Q1)附近，断距约为200~220m，显示出该断层具有明显的生长断层特征.根据断裂下盘土沟村震断1^# 孔和高丽营第四系标准孔(GLYBZ孔)的地质分层结果1)，可看到黄庄-高丽营断裂已错断了埋深约30 m 左右的晚更新世中上部地层，在深度30m 以浅，因P-P 波叠加剖面没有获得更浅的地层反射，因此，根据P-P波剖面还难以判定断层所错断的最浅地质层位.

本项研究获得的P-SV 转换波叠加剖面见图 8b.与图 8a的P-P反射波叠加剖面对比可以发现，转换波剖面所反映的地下界面起伏变化形态和断裂引起的地层错断特征更加清楚.另外，在T₁ 反射波以浅，从转换波叠加剖面上还可以看到一些能量较弱的反射震相，如T₂ 反射波，这对判定断裂向近地表的延伸情况至关重要.上述现象表明，由下行纵波和上行横波组成的P-SV 转换波剖面对近地表结构和断层的分辨能力要高于纵波剖面.

图 8c的SH-SH 波叠加剖面表现出了较高的信噪比和分辨率，该剖面非常清楚地反映了黄庄-高丽营断裂的近地表特征.与图 8a的纵波和图 8b的转换波叠加剖面对比可以看出，横波反射剖面上的地层界面反射非常丰富，剖面反射波同相轴所刻画的地层变化细节也更为清楚，这表明横波对地下薄层的分辨能力要强于纵波和转换波.在对断裂的近地表成像和所能分辨的断层上断点埋深方面，横波剖面明显好于纵波和转换波剖面.根据图 8c的横波反射剖面，可把断层的上断点解释到埋深约5~6m的T₃ 反射界面上，对应T₃ 反射界面的垂直位错约为3~5m，其上断点位置位于剖面桩号365m 处.

为判定黄庄-高丽营断裂的活动性和验证三分量浅层地震试验结果的有效性，在试验剖面桩号325~420m 之间，完成了1条跨断裂的钻孔联合地质探测剖面，该剖面由7 个孔深100 m、间距10~25m的钻孔构成，其剖面长度为95 m(剖面位置见图 8c).图 9 是根据7 个钻孔的地层柱状图，经整理、归并和连接形成的钻孔联合地质剖面.图中地层自上而下可分为12 个大层，其基本层序为，细砂￫粉质粘土￫细砂￫粉质粘土.

图 9

Fig. 9

图 9 钻孔联合地质剖面图 Fig. 9 Composite geological section from bore hole data

钻孔地质剖面揭示的黄庄-高丽营断层特征非常清楚.从钻孔地质剖面上可分辨出该断层错断了全新世(层①)之下的所有地层，其垂直断距由深到浅逐渐变小，显示出明显的生长断层特征.图 10 给出了根据钻孔联合地质剖面和浅层SH-SH 波反射剖面得到的解释结果，由图可以看出，浅层地震横波剖面所揭示的断层特征、剖面反射波组分层与钻孔地质剖面有着较好的对应关系.在横波反射剖面上可识别的最浅一组地层反射为T3，该反射面与钻孔地质剖面层②中的粉、细砂互层的埋深对应较好，它在断层两侧的埋深分别为5.5m和9.5m，其垂直位错为4m；反射波T₂ 与钻孔剖面揭示的层③顶界面埋深相吻合，该界面在断层两侧的埋深分别为18.0m 和28.0m，其断距为9.8m；反射波T₁ 解释为细砂与粉质粘土层的分界面(即层④的顶界面)反射，钻孔地质剖面揭示，该界面在断层两侧的埋深分别为31.0m 和43.2 m，其断距为12.2 m.晚更新世底界反射波T_Q3与钻孔剖面上的层⑥底界面埋深相吻合，该界面在断层两侧的埋深分别为68.0 m和88.5m，断层在晚更新世底界的断距为20.5m.

图 10

Fig. 10

图 10 浅层SH-SH波剖面和钻孔地质剖面（图 9)综合解释图 Fig. 10 Comprehensive interpretation based on shallow SH-SH wave profile and borehole data (Fig. 9)

活动断层是指晚更新世(Q₃)以来有过活动或正在活动的断层^[16]，依据活动断层所切错的最新地质层位或地貌单元的地质时代，可把活动断层区分为“晚更新世活动断层"、“全新世活动断层"等^[17].根据本项研究的跨断层第四纪地层时代划分结果，深度4.5m 以上的粉砂层为全新世地层沉积，而黄庄-高丽营断裂在北七家附近已断至地下5.5 m处，其活动时代为晚更新世晚期.

本次在北京地区的黄庄-高丽营断裂上进行的三分量浅层地震反射试验，获得了波场信息丰富、层间波组特征明显、断裂构造清楚的浅层地震纵波、横波和转换波叠加剖面.依据剖面波组特征和地震波速度资料进行的剖面波组分层和断层解释结果与跨断裂的钻孔联合探测剖面验证结果取得了较好的一致性.结果表明，黄庄-高丽营断裂北七家段为晚更新世晚期活动断裂，该断裂在第四系底界的断距约为200~220m，中更新统底界断距约为60~65m，上更新统底界的断距为20.5 m，在深度5~6 m 的上更新统顶部的断距为4 m.研究结果为进一步明确黄庄-高丽营断裂两侧的第四系厚度、认识断裂的活动性提供了证据.

本项试验研究表明，采用纵波或横波可控震源激发、三分量接收的浅层地震勘探方法进行隐伏断裂探测，可获得近地表至数百米深度范围内的地下结构和构造图像，但不同分量的叠加剖面所反映的断层上断点埋深和剖面分辨率是明显不同的.如本次试验的纵波反射剖面较清楚地揭示了深度30~600m 范围内的地下结构和断裂特征，在纵波剖面上可分辨的断层上断点埋深约为30m；根据资料处理时获得的近地表纵波速度1000~1200 m/s和剖面反射纵波主频100 Hz计算，其纵向分辨率约为2.5~3.0m.转换波叠加剖面获得了深度20~400m范围内的地下结构和断裂特征，在该剖面上可分辨的断层上断点埋深约为20m；根据获得的近地表转换波速度500~600m/s和信号主频60Hz计算，其纵向分辨率约为2.0~2.5m.横波反射剖面对30m以浅的近地表结构和构造有着较好的成像效果，在该剖面上可分辨的断层上断点埋深约为5~6m；根据得到的近地表横波速度120~160 m/s和剖面信号主频40Hz计算，其纵向分辨率约为0.75~1.0m.这些结果说明，在探测分辨率和剖面所能分辨的断层上断点埋深方面，横波剖面的分辨率高，对近地表结构和断层上断点的成像效果较好，而转换波剖面次之.纵波勘探的探测深度大，但其分辨率低于横波和转换波.

综合以上分析可以看出，采用三分量浅层地震反射方法进行隐伏活动断裂探测，不但可获得近地表至数百米深度范围内的断裂构造和地层展布特征，而且，利用获得的纵波、横波和转换波信息，也可为剖面反射波组分层和断裂构造解释提供更多的数据约束，提高隐伏活动断裂解释的可靠性，特别是水平分量上获得的高分辨率横波反射信息，对近地表结构和断裂特征反映的更为清楚，有利于断层位置和断层上断点的判定.尽管三分量浅层地震方法可获得比单分量地震方法更多的信息，并为钻孔联合地质剖面位置布设、钻孔深度设计提供可靠依据，但仅根据三分量地震剖面还不能确定剖面反射层的地质属性和地层年代.为判定断裂的活动性和对剖面进行地质分层，还需要结合钻孔地质剖面、地层年代测试等方法.

两位匿名评审专家对本文提出的宝贵意见和建议，对完善文章内容、启发我们对地震剖面和钻孔地质剖面信息的认识和利用有很大帮助，同时，也让我们意识到了研究中还有待深入的地方，特别是原始资料中的其他地震波组信息还需要做深入的分析、研究和利用，在此表示衷心感谢!