折射波勘探是一种成本较低的工程物探方法，常被用于探测潜水面、风化面和基岩面等。该方法的数据采集和处理过程相对简单，能够计算地表浅层的纵波速度结构，当结合地质和钻探资料时，可以为工程建设提供较为可靠的基础地质数据^[1-7]。

相遇追逐观测系统是折射波勘探中常用的观测系统^[8-10]，采用该观测系统的问题通常包括：①远道炮检距比较大，信噪比较低；②排列移动距离短、次数多，震源移动距离长，野外工作量大，工作效率低。在横向非均质性较强的山区，有时采用在检波器排列内放炮的观测系统，并通过初至时间反演速度剖面。炮点置于检波器排列内部的优点包括：①最大炮检距减小，信噪比提高；②浅层观测数据丰富，有利于反演横向速度变化。当测线较长需要移动排列采集数据时，相邻排列的衔接方式对折射波勘探的影响尚不明确。本文主要通过数值模拟方法研究相邻排列首尾相接、相邻排列首尾相接并布置排列外炮点和相邻排列部分重叠三种观测系统，并从反演效果和野外工作量两个方面进行对比分析，进而优选出经济且有效的观测系统。

本文内容结构如下：采用定性方法分析了三种观测系统在垂向梯度速度模型中的射线覆盖范围；设计了起伏界面两层模型开展射线追踪和初至层析反演试验；在山区采集地震数据进行初至层析反演；从排列数量和炮点数量的角度分析各观测系统的野外工作量；综合反演质量和野外工作量，优选出最佳观测系统。

1.   射线覆盖范围分析

在初至层析反演中，射线分布是初始模型能否向真实模型更新的一个关键因素^[11]。本节通过分析三种观测系统的射线覆盖范围来了解射线分布的特性。在复杂速度模型中，射线路径需要通过射线追踪来计算^[12,13]。但在垂向梯度速度模型中，回折波的射线路径为圆心在地表以上的圆弧（见图1（a））。图1（b）至图1（d）分别是垂向梯度速度模型中三种观测系统的地下射线分布范围示意图。

图  1  垂向梯度速度模型中的三种观测系统的地下射线分布范围示意图

Figure  1.  Subsurface ray distribution of the three observation systems in vertical gradient velocity model

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图1（b）展示了相邻排列首尾相接的观测系统。该观测系统在地表实现了沿测线连续观测，但在排列连接处的地下深处，却存在较大范围的射线空白区。这意味着该区域的速度在反演过程中难以有效更新。如果异常体刚好位于排列相接处的深部，则在速度剖面上该异常体可能被平滑，从而影响地质解释效果。图1c展示了相邻排列首尾相接并设置了排列外炮点的观测系统。当排列外炮点位置合理设置时，测线下方的射线空白区非常小。考虑到远道信噪比低，可以删除炮检距大于排列长度的地震道。图1（d）展示了相邻排列部分重叠的观测系统。在排列重叠段之下的深部存在射线空白区。当勘探目标较深时，为了减小该射线空白区，要求排列重叠段长度较长，这将增加测线中排列的数量。

上述对射线覆盖范围的定性分析表明，相邻排列首尾相接的观测系统存在明显的缺陷。相邻排列首尾相接并设置排列外炮点的观测系统是最有优势的，其次是相邻排列部分重叠的观测系统。

2.   数值模拟

本文采用数值模拟方法，研究上述三种观测系统的特点。选用起伏界面、两层模型进行射线正反演。模型和观测系统如图2所示。模型水平方向长320 m，地表向下分为两层，地层分界面的深度在5~15 m深度范围内变化，模拟不均匀风化形成的起伏界面。上部地层的速度为450 m/s，下部地层的速度为1350 m/s。测线起点在x=40 m处，终止在x=280 m处。检波器排列长度为80 m，内部近似等间距设置5个炮点，通过排列和炮点的组合，形成4个观测系统。在观测系统①中，3个排列首尾相接。在观测系统②和③中，3个排列首尾相接，且设有排列外炮点。在观测系统②中，两侧排列在靠近测线中心一侧有2个炮点，中间排列两侧各有2个炮点。在观测系统③中，两侧排列在靠近测线中心一侧有1个炮点，中间排列两侧各有1个炮点。观测系统④含4个排列，相邻排列部分重叠，重叠段长度约为排列长度的三分之一。另外，设置相遇追逐观测系统⑤作为比较对象。检波器排列长度80 m，两端各有两个炮点，分布在排列端点外1 m和15 m位置。第1个排列的左端始于x=40 m处，排列移动距离为32 m，最后1个排列的右端止于x=280 m处。

图  2  选用模型和观测系统示意图

Figure  2.  Diagram of the model and observation system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

射线正演和层析反演均采用开源软件pyGIMLi^[14-16]。图3是数值模拟计算的观测系统②的3个排列的初至波时距曲线及其射线分布图。炮点和检波点之间的射线路径与炮检距和炮检范围内地下速度结构有关。由于模型的速度是分层均匀的，且地层界面多为水平界面，折射波出射角基本相同，故各炮的初至波时距曲线大致平行。图3包含了排列外炮点的远道数据，即炮检距大于排列长度的接收点的初至时间。为了与野外常见的低信噪比条件一致，在接下来的层析反演中，这些远道的初至时间不参与反演。

图  3  观测系统②的初至时距曲线及其射线分布图

注：零时刻处的彩色方块表示炮点，其对应的初至波时距曲线与具有其相同的颜色。排列外炮点与邻近的排列端点之间没有初至时间数据。各炮的初至时间与炮检距、炮检范围内地下界面起伏状态有关。

Figure  3.  The first-arrival time-distance curves and ray distributions of the second observation system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图4是上述5个观测系统的初至数据反演的速度剖面。图4a至图4e分别对应观测系统①至⑤。当采用观测系统①时，在模型100~150 m水平范围内的风化槽刚好处于第1和2个排列的连接处。在反演剖面中风化槽内部和下部地层的速度没有充分更新。在地质解释时，解释员的主观认识将对解释结果产生较大的影响。观测系统②和③的反演剖面基本一致，仅在局部存在微弱差异，对风化槽的刻画优于观测系统①的反演剖面。由于射线反演的分辨率限制，风化槽底部界面仍无法准确刻画。观测系统②和③的反演剖面对风化界面的刻画总体上优于观测系统④的反演剖面。在模型180~200 m水平范围内的界面坡度转折处，观测系统④的反演剖面出现明显误差。观测系统⑤的反演剖面与观测系统②和③的反演剖面在40-280 m水平范围内非常接近。

图  4  5个观测系统的初至数据反演的速度剖面对比图

Figure  4.  Inverted velocity profiles of the five observation systems

下载: 全尺寸图片 幻灯片

将5个观测系统的反演剖面插值到40 m≤x≤280 m，75 m≤z≤100 m的相同网格中，并以观测系统⑤的反演剖面为比较标准，观测系统①至④的相对偏差分别是0.092，0.038，0.039和0.062。观测系统②和③的反演剖面与观测系统⑤的反演剖面间差异最小。

上述射线正反演数值模拟结果表明，相邻排列首尾相接并含排列外炮点的观测系统的反演效果最好，相邻排列重叠的观测系统的反演效果次之，相邻排列首尾相接的观测系统的反演效果最差。

3.   应用实例

测区位于安徽省安庆市怀宁县境内。地震测线经过处的地质环境是：浅层为人工填土层、第四系坡洪积层和残坡积层，下伏基岩为闪长岩。

测线全长263 m，包含3个排列，15个排列内炮点，3个排列外炮点（图5（a））。排列①和排列②首尾相接，排列①的右侧和排列②的左侧各有1个外部炮点。排列①的最后1炮和排列②的第1炮的位置重合。排列②和排列③部分重叠，排列②的右侧有1个外部炮点。

图  5  同一野外观测数据筛选出的5个数据集时距曲线图。

注：炮点用彩色方块表示，与其对应的初至时距曲线具有与其相同的颜色。图中，Array-1表示排列①；Array-2表示排列②；Array-3表示排列③。

Figure  5.  Five sub-datasets filtered from the same first-break-time dataset

下载: 全尺寸图片 幻灯片

从初至数据中筛选出5个数据集：①原始数据集（图5（a）），②删除了3个排列外炮点的远道的数据集（图5（b）），③在数据集②的基础上删除了排列②和排列③的重叠段的数据集（图5（c）），④删除了3个排列外炮的所有初至数据的数据集（图5（d）），⑤在数据集④的基础上删除了排列②和排列③的重叠段的数据集（图5（e））。

上述5个数据集的初至层析反演剖面如图6所示。图6（a）至图6（e）分别对应图5（a）至图5（e）。图6（a）是原始数据集的反演剖面。由于测线下方的真实速度剖面是不可能获取的，故将图6（a）的剖面作为比较标准。图6（b）与图6（a）的差异不明显。图6（c）和图6（a）的差异也不明显，但在排列②和排列③的连接处基岩形态略有变化。图6（d）和图6（a）的差异在排列①和排列②范围内较大。图6（e）和图6（a）的差异在全测线范围均较大。将这5个数据集的反演剖面插值到空间范围为40 m≤x≤263 m，16 m≤z≤78 m的相同网格中，数据集②至数据集⑤的结果与数据集①的结果之间的相对差异分别为0.016，0.024，0.081和0.095。

图  6  5个数据集的初至层析反演剖面对比图

Figure  6.  Inverted profiles of the five datasets.

下载: 全尺寸图片 幻灯片

通过比较这5个数据集的反演剖面的可知，野外采用排列首尾相接的观测系统，反演剖面与实际剖面的差异可能较大；增加排列外炮点和设置排列重叠段都可以明显改善反演剖面的效果，排列外炮点的影响范围较大，排列重叠可明显改善重叠段的反演剖面。

4.   野外工作量分析

野外采用折射波勘探方法采集地震数据，室内采用初至层析方法反演速度剖面，在这一物探工作流程中，野外工作的时间和经济成本占比最大。野外工作量是选择观测系统的重要依据之一。野外工作量可以用排列数量和炮点数量来衡量。表1是数值模拟试验中观测系统①至④的工作量统计表。观测系统①的野外工作量最少，但其反演效果也最差。在其余的3个观测系统中，观测系统③的工作量最少。观测系统④的排列数量大于观测系统②，观测系统②的炮点数量大于观测系统④。观测系统②和④的野外工作量大小取决于具体的地貌和地质条件，如地表坡度、检波器与地表耦合情况、重锤震源的激发能量等。但在山区，布置1个检波器排列的复杂程度可能要大于布置3个炮点。

表  1  数值模拟试验所用观测系统的检波器排列数量和炮点数量统计表

Table  1.  Number of geophone arrays and shot-points of the observation systems in simulations

观测系统序号	观测系统类型	排列数量	炮点数量
①	相邻排列首尾相接	3	15
②	相邻排列首尾相接,两侧排列内侧有2个炮点，中间排列两侧各有2个炮点	3	23
③	相邻排列首尾相接,两侧排列内侧有1个炮点，中间排列两侧各有1个炮点	3	19
④	相邻排列部分重叠	4	20

下载: 导出CSV 

| 显示表格

在实际数据集中，数据集③包括3个排列和18个炮点。数据集④包括3个排列和15个炮点。但是，数据集③的第3个排列较短。如果数据集③和④的第3个排列长度相同，即野外采集时排列②和③首尾相接，那么数据集③的横向覆盖范围比数据集④大。

5.   结论

本文通过数值模拟和野外实践，研究了在检波器排列内、外放炮的观测系统沿测线移动时相邻排列的衔接方式，对比了相邻排列首尾相接、相邻排列首尾相接并设置排列外炮点、相邻排列部分重叠三种类型的观测系统的特点，优选出最优的观测系统。

通过射线覆盖范围定性分析、射线正反演的数值模拟和野外实测资料反演研究与实践，从提高反演解释质量来看，本文认为相邻排列首尾相接并设置排列外炮点的观测系统的反演效果最好，相邻排列部分重叠的观测系统的反演效果次之，相邻排列首尾相接的观测系统的反演效果最差；从减少野外工作量、提高工作效率方面来看，本文认为相邻排列首尾相接并设置排列外炮点的观测系统的野外工作量最少。

综合反演质量和野外工作量研究结果表明，相邻排列首尾相接并设置排列外炮点的观测系统是最优的观测系统，建议在实际工作中应用与完善。