面元科学仪器 |在海滩地下结构探测的应用

海滩是重要的旅游资源和海砂资源，但是也是一个极为动态的沉积砂体，易遭受外部作用力的影响，产生大规模的侵蚀后退现象，成为全 球的关注焦点。

海滩研究大多集中在表层动态变化监测和研究，而对于海滩本身结构和基底形态研究还非常有限。砂体的原位探测技术以钻探和挖剖面为主，耗时费力，地球物理勘察手段在海滩这类地形进行施工时，由于含水含盐较高，电磁法包括雷达的效果都达不到理想的深度。这种场景下地震勘探方法不失为是一个更为合适的选择。

数据采集

中国海洋大学研究团队利用SmartSolo IGU-16 HR3C 5Hz三分量高分辨率智能地震检波器在青岛石老人海水浴场布设了一条长约150m的地震测线（近似垂直于海岸线）进行地震数据采集工作。

震源类型为自主研制的重锤震源，激发点26个，接收点50个，采集站间距分别为3m和6 m。每个激发点锤击了5次，以通过多次锤击数据的叠加来提高信噪比。

由于测线延伸到了前滨，涨潮期间测线长度大约为125m，共有41台检波器处于工作状态，完成11个震源点的激发；落潮期间，启动测线上余下的9个地震仪，完成剩余14个震源点的激发。在测线的陆向起始点A处附近采集了7m深的柱样，并进行了粒度分析，用于地震建模结果的校验。

石老人海水浴场工区示意图

数据处理

地震数据处理分三个步骤进行：首先，把连续地震数据进行切割，按照激发时刻逐个提取各次锤击的记录数据。其次，消除地震数据中的噪声，以保证信号可以识别与拾取，一方面，通过把同一位置多次锤击的数据叠加，压制随机噪声；另一方面，还需要通过滤波去掉噪声，测试显示，地震信号的优势频段是120~500 Hz。Z 后，在带通滤波保留优势频段的数据上开展地震波初至到时的人工拾取，总共拾取了1201个有效初至到时，作为地震层析成像的输入数据。

地震初至拾取示例（左）和所有地震初至走时（右）方层状结构

层析成像的多尺度模型参数化

在利用走时层析成像方法对实际资料进行反演时，射线覆盖不均匀会导致反演结果的不稳定，该问题可以通过多尺度模型参数化来缓解。多尺度参数化是把模型离散化为一系列单元尺寸不同的网格。这种参数化方式的优势在于，在层析成像过程中地震射线会在较大尺度的网格上形成良好的交叉，从而提高对于较大异常体的反演精度，更易于刻画地下构造的边界。 

地震波速剖面

层析反演初始速度模型的建立经历了两步。首先，基于上述的初至视速度分析，大致估计上层速度在0.7 km/s 附近，而Z下层速度大致为4.3 km/s，因此把速度模型顶部的波速设置为0.5 km/s，而底部的波速设置为5 km/s，工区顶底之间的波速随深度线性递增。之后，基于第 一次反演得到波速剖面，选取第一次反演得到的具有良好射线覆盖区域（这里是20 ~110 m 距离范围）的速度剖面，将其取横向平均和垂向平滑处理，形成层析反演的初始速度模型（下图a）。

图a：初始速度模型

经过20次反演迭代，获得了如下图b所示的地震速度剖面。

图b：反演速度剖面

地震射线在地下的覆盖情况显示，地震数据对地下结构具有良好的覆盖，如下图c所示。

图c：射线覆盖

根据速度剖面，研究人员推测出下图所示的海水浴场下方的结构模型。

基于速度模型建立的海滩测线下方砂体结构

该模型显示，砂体在后滨的下方较厚，达到了15m，而在前滨下方仅有不足5m厚，这可能是因为凸起岩体阻挡了砂向海中的流失。后滨靠近陆地的一侧存在岩石边坡，该构造与青岛汇泉湾海滩后滨的出露花岗岩倾向一致。

该研究建立了一种刻画海滩深部结构的新方法，成功将节点地震仪和多尺度地震层析成像应用于海滩砂体结构研究，建立了海滩从表层到结晶基底的地下结构模型。后续可以减小台站间距，布设更多二维测线或三维台网，并构建反射地震剖面，在达到对砂体更高成像精度的同时，分析海滩前滨下方凸起岩体沿海岸线的展布和三维形态。

SmartSolo将持续致力于为各位科学家和科技工作者提供高可靠、更简单、高效率、低成本的科研工具和采集设备。引用文献：高福建, 邹志辉, 王永红. 基于地震层析速度模型分析海滩地下结构:以青岛石老人海水浴场为例[J]. 地学前缘, 2022, 29(5): 275-284.GAO Fujian, ZOU Zhihui, WANG Yonghong. Subsurface structure of seabeach revealed by seismic tomographic velocity model: An example of the Qingdao Shilaoren beach[J]. Earth Science Frontiers, 2022, 29(5): 275-284.