基于反射波法勘探的陷落柱結(jié)構(gòu)分析

張 誠

（忻州市煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，山西忻州034000）

基于反射波法勘探的陷落柱結(jié)構(gòu)分析

張 誠

（忻州市煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，山西忻州034000）

為掌握陷落柱賦存狀態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，基于地震勘探反射波原理，采用理論分析和現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合的方法，建立了陷落柱正演模型，對陷落柱成因及探測方法進(jìn)行研究。研究表明：1）賦存陷落柱需滿足巖層條件、水作用條件和構(gòu)造發(fā)育條件，可溶性巖體在流水和應(yīng)力相互作用下坍塌垮落，形成陷落柱。2）陷落柱物理特征中的電性、磁性、放射性及波阻抗表現(xiàn)出差異性，是勘探的基本原理。3）對內(nèi)部為均勻體結(jié)構(gòu)的陷落柱模型正演，得到其在地震時(shí)間剖面上的響應(yīng)特征，從而對陷落柱位置和形態(tài)判讀。該研究可為類似條件陷落柱地震勘探提供一定的指導(dǎo)。

陷落柱；結(jié)構(gòu)分析；反射波原理；地震勘探測量

陷落柱是指煤系地層中的地下溶洞頂部巖層及覆蓋層失去支撐，塌陷所產(chǎn)生的上小下大的錐狀陷落體，廣泛分布在我國華北地區(qū)石炭二疊系地層中。在煤礦生產(chǎn)中，陷落柱影響采區(qū)和工作面布置、減少煤炭儲量、構(gòu)成導(dǎo)水通道，使礦井發(fā)生透水事故，嚴(yán)重威脅煤礦的安全高效生產(chǎn)［1］。因此，對其結(jié)構(gòu)的研究，能正確識別和判讀陷落柱，為煤礦生產(chǎn)提供可靠的地質(zhì)資料支撐。

陷落柱由于其復(fù)雜的地質(zhì)及地球物理特征，其結(jié)構(gòu)識別長期以來為勘探領(lǐng)域一大難題。目前，大量學(xué)者通過各種手段對陷落柱進(jìn)行研究［2-3］，但是較少考慮陷落柱內(nèi)部成分、構(gòu)造等。為了更進(jìn)一步研究，采用理論分析，建立內(nèi)部均勻體構(gòu)造的陷落柱地震模型，進(jìn)行模擬分析，以對陷落柱內(nèi)部特征有進(jìn)一步認(rèn)識，為野外三維地震勘探陷落柱提供參考和指導(dǎo)。

1 陷落柱的成因

1.1 賦存陷落柱的必備條件

1）有上覆地層塌落的空間，煤系地層下伏巖層必須是可溶性巖層，如碳酸巖類的灰?guī)r、白云巖、石膏等，另外在陷落柱發(fā)育的前期已形成足夠的原始塌陷空間。

2）有較好的地下水動力條件和地下水流通通道［4］。

3）有構(gòu)造發(fā)育的條件。

1.2 陷落柱成因

1）上覆地層塌落的空間：石膏層膏溶空洞（膏溶作用形成的空洞）、古地表巖溶（奧陶灰?guī)r頂部古風(fēng)化剝蝕形成的巖溶）、古地下巖溶（侵蝕和溶蝕作用形成的空洞）。

2）地下水動力條件：溶洞的形成就是地下水沿著構(gòu)造裂隙帶運(yùn)動，同時(shí)對周圍圍巖不斷溶蝕的結(jié)果。當(dāng)巖溶溶洞內(nèi)塌陷物的體積超過溶洞所能承載的體積時(shí)，地下水將這些塌陷物不斷地搬運(yùn)，使得陷落柱不斷持續(xù)發(fā)展。

3）構(gòu)造作用：陷落柱的形成主要受一級、二級、三級構(gòu)造控制的影響。大型的區(qū)域斷裂構(gòu)造主要指張性斷裂構(gòu)造，是陷落柱發(fā)育的一級構(gòu)造，也是堅(jiān)硬巖石賦存的水流通道和地下水的徑流與排泄帶。次級向斜的軸部或者轉(zhuǎn)折端附近，即二級構(gòu)造控制處是陷落柱主要集中發(fā)育點(diǎn)。三級控制地質(zhì)尺度較小，即環(huán)形斷層和圍巖小斷層，它是陷落柱發(fā)育的最直接控制因素。

2 陷落柱形成過程

地層中可溶性的灰?guī)r不斷受到構(gòu)造應(yīng)力的作用，形成各種大小不一的構(gòu)造裂隙，地下水沿這些裂隙形成地下水徑流，為地下水的溶蝕作用創(chuàng)造了有利條件。隨著地下水長時(shí)間的溶蝕，灰?guī)r中的溶洞越來越大，在上覆巖層重力和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的長期作用下，部分溶洞發(fā)生坍塌，上面覆蓋的煤系地層隨之塌落而破壞了煤層的完整性，形成陷落柱，見圖1。

圖1 陷落柱形成過程示意圖

3 基于反射波法勘探原理

3.1 陷落柱的地球物理特征

1）電性。不同區(qū)域水文地質(zhì)條件不同，陷落柱的導(dǎo)水性也不同。根據(jù)陷落柱的導(dǎo)水性差異，目前將巖溶陷落柱分為4類：不導(dǎo)水型巖溶陷落柱、弱導(dǎo)水型巖溶陷落柱、中等導(dǎo)水型巖溶陷落柱以及強(qiáng)導(dǎo)水型巖溶陷落柱。

2）磁性。陷落柱的形成經(jīng)歷了長期的地質(zhì)作用，在此過程中，陷落柱圍巖及內(nèi)部充填物中的磁性物質(zhì)不斷地發(fā)生變化，由此陷落柱與其圍巖之間就存在了磁性差異。磁法勘探陷落柱正是利用二者之間的磁性差異。

3）放射性。常見的陷落柱大多發(fā)育于煤系地層之下的奧陶灰?guī)r中，其貫穿了多個(gè)地層，如果其中的某個(gè)地層有含水層，水中的放射性物質(zhì)就會沿著空隙、裂隙溢出地表，由此可用放射性方法勘探陷落柱。

4）波阻抗。陷落柱柱體內(nèi)的充填物大多由上覆地層塌落的巖塊、煤塊以及巖屑、巖粉等膠結(jié)而成。充填物的結(jié)構(gòu)、成分等較復(fù)雜，常出現(xiàn)低速度、低密度的特性，并且成層性也較差。周圍的圍巖通常為砂巖、灰?guī)r、泥巖、煤層等巖層，其沉積較穩(wěn)定，巖層較致密，速度、密度也較高。波阻抗為波在地層中的速度與密度的乘積，地震勘探中的反射波法勘探就是利用的波阻抗差異。很明顯陷落柱的波阻抗比周圍圍巖的波阻抗低，二者的差異較大，由此可以較好地利用地震勘探的方法探測陷落柱。

3.2 反射波法勘探原理

地震反射波法是目前經(jīng)常使用的一種物探方法，它利用介質(zhì)的波阻抗差異（波速與介質(zhì)密度的乘積）來探測地下的地質(zhì)體?；诜瓷洳ǚǖ目碧皆硎窃陔x震源不遠(yuǎn)的觀測點(diǎn)上（檢波器），能記錄地震反射波從震源到不同波阻抗差異的地層界面上反射后回到地面檢波器的法線反射時(shí)間，不同反射時(shí)間反應(yīng)了地下地質(zhì)體的不同形態(tài)，從而可以劃分?jǐn)鄬?、陷落柱、采空區(qū)、地層等地質(zhì)情況。

4 地震勘探探測陷落柱實(shí)例分析

4.1 勘探區(qū)概況

勘探區(qū)位于山西省晉中市西北部，屬黃土丘陵地貌，為新生界地層所覆蓋，基巖零星出露，區(qū)內(nèi)地表最大相對高差156.7 m。井田內(nèi)可采煤層有3#、9#、15#煤，勘探面積4.2 km2。

地層由老至新主要有奧陶系中統(tǒng)峰峰組，石炭系中統(tǒng)本溪組，上統(tǒng)太原組，二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組和上統(tǒng)上石盒子組以及第四系地層。傾角不大，一般不大于10°。

從該區(qū)煤層與其頂?shù)装鍘r層的物理特征分析可知，煤層與其圍巖間存在明顯的波阻抗差異，能夠形成3組能量強(qiáng)、波形突出、全區(qū)可連續(xù)追蹤對比的地震反射波（T3波、T9波和T15波）。其中，3#煤層變薄處形成的反射波同相軸能量較弱，連續(xù)性較差，T15波受3#和9#煤層的屏蔽作用相對變?nèi)酢?/p>

4.2 陷落柱的判讀與分析

假設(shè)陷落柱內(nèi)部為均勻體，采用地震波場正演模擬方法對陷落柱整體發(fā)育于灰?guī)r中、在地面露頭的模型反演。在這個(gè)模型中，陷落柱內(nèi)部從上到下為一均勻體，密度為2 200 kg/m3，縱波速度為2 500 m/s。陷落柱外圍都只有1層灰?guī)r，灰?guī)r的各個(gè)參數(shù)保持不變，變化的是陷落柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)。灰?guī)r厚度800 m（0～800 m），灰?guī)r的密度為3 200 kg/m3，地震波在灰?guī)r中傳播的縱波速度為4 500 m/s。陷落柱高800 m（0~800 m），出露地表，頂寬60 m（470～530 m），底寬200 m（400～600 m）。地質(zhì)模型見圖2。

圖2 地質(zhì)模型示意圖

使用聲波方程進(jìn)行模擬激發(fā)，得到21炮單炮記錄和波長快照，典型的單炮記錄見圖3，4。

圖3500 m處模擬激發(fā)得到的單炮記錄圖

圖4300 m處模擬激發(fā)得到的單炮記錄圖

由圖3，圖4分析可知，陷落柱柱壁是個(gè)散射界面，從上到下出現(xiàn)很多柱壁散射波，這是由于陷落柱與外圍灰?guī)r之間存在明顯的波阻抗差異。而陷落柱內(nèi)部為一均勻體，不存在波阻抗差異，通常情況下認(rèn)為是不會產(chǎn)生地震波的，但是陷落柱內(nèi)側(cè)柱壁同理也是散射界面，會產(chǎn)生很多散射波，這些散射波相互干涉，使得陷落柱內(nèi)存在雜亂的干涉波。當(dāng)在正中間激發(fā)時(shí)，直達(dá)波兩側(cè)對稱，這是由于模型兩側(cè)對稱。在其他位置激發(fā)時(shí)，直達(dá)波出現(xiàn)不對稱行，在波速大的地方用時(shí)短，在波速小的地方用時(shí)長，遇到陷落柱直達(dá)波出現(xiàn)轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。在圖4中，箭頭所指的柱壁反射波是震源產(chǎn)生的球面波第一次到達(dá)柱壁時(shí)發(fā)生反射產(chǎn)生的，這個(gè)球面波回到地面，被地面的檢波器所接收，在單炮記錄上表現(xiàn)為反射波。箭頭指的柱壁散射波是震源產(chǎn)生的球面波到達(dá)柱壁反射點(diǎn)位置后發(fā)生透射，然后在柱內(nèi)反射到柱體右壁，又反射到柱體左壁某個(gè)點(diǎn)，而產(chǎn)生新的球面波所形成。以上的現(xiàn)象可以通過波場快照更加直觀地觀測，波場快照示意圖見圖5。

圖5300 m處激發(fā)模擬得到的波場快照圖

對得到的所有單炮記錄進(jìn)行炮集合并、抽道集、動校正、疊加、偏移等處理后，得到了這一陷落柱模型的水平疊加剖面和偏移剖面，見圖6，圖7。

圖6 水平疊加時(shí)間剖面圖

圖7 經(jīng)疊后偏移的時(shí)間剖面圖

從圖6，圖7可以看到，很多散射波，有柱壁外側(cè)的散射波，也有柱壁內(nèi)側(cè)的散射波，柱壁內(nèi)側(cè)的散射波干涉較強(qiáng)，另外陷落柱的形態(tài)也能顯現(xiàn)出來，疊加剖面陷落柱的形態(tài)不是很清楚，疊后偏移剖面陷落柱的形態(tài)清楚。

5 結(jié)論

1）賦存陷落柱需滿足巖層條件、水作用條件和構(gòu)造發(fā)育條件，可溶性巖體在流水及應(yīng)力相互作用下，坍塌垮落形成陷落柱。

2）陷落柱物理特征中的電性、磁性、放射性及波阻抗表現(xiàn)出差異性，可以在地面接收到不同的地震響應(yīng)特征，由此可以識別地下陷落柱的特征和賦存狀態(tài)，是勘探的基本原理。

3）對內(nèi)部為均勻體的陷落柱模型正演，由于陷落柱與外圍灰?guī)r之間存在明顯的波阻抗差異，激發(fā)得到的散射波不同，從而對陷落柱的位置和形態(tài)判讀。

［1］楊武洋.煤礦陷落柱賦水特征的綜合物探探查原理與方法［J］.采礦與安全工程學(xué)，2013，30（1）:45-50.

［2］何靈芳，閆濤滔，劉大錳，等.三維地震資料在趙莊煤礦構(gòu)造解釋中的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（8）:100-103.

［3］褚志忠.陷落柱伴生斷層特征及陷落柱預(yù)測［J］.煤炭地質(zhì)與勘探，1998，26（3）:26-28.

［4］衛(wèi)紅學(xué).陷落柱柱體結(jié)構(gòu)的地震波場分析［D］.太原：太原理工大學(xué)碩士論文，2014：10-13，31-34.

Structural Analysis of Collapse Column by Reflected Wave Prospecting

Zhang Cheng

In order to master the occurrence and internal structure of collapse columns，bases on reflected wave principle in seismic prospecting，with the combination of theoretical analysis and field practice，the forward model is established to study the origin and prospecting methods of the collapse columns.The results show that 1）The occurrence of the collapse column should satisfy the condition of rock strata，water and structure development. Soluble rocks collapse form collapse columns under the interaction of running water and stress.2）The electrical property，magnetic property，radioactivity and wave impedance show the difference in physical properties of collapse columns is the rationale for prospecting.3）The forward model of collapse columns with homogeneous internal structure can achieve the response characteristics in seismic time-section and then can interpret the location and form.The study can offer certain guidance for seismic prospecting of collapse columns in the similar condition.

Collapse column；Structural analysis；Reflected wave principle；Seismic exploration surveying

TD745

B

1672-0652（2014）11-0040-04

2014-10-09

張誠（1968—），男，山西偏關(guān)人，1992年畢業(yè)于阜新礦業(yè)學(xué)院，工程師，主要從事測繪、地質(zhì)工作（E-mail）980335510@qq.com