地震勘探法在某市巖溶勘察的應(yīng)用

胡爾曼拜克·吐爾迪汗

（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地球物理探礦隊(duì)烏魯木齊830011）

地震勘探法在某市巖溶勘察的應(yīng)用

胡爾曼拜克·吐爾迪汗

（新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地球物理探礦隊(duì)烏魯木齊830011）

目前，巖溶的存在對(duì)礦山生產(chǎn)和工程建設(shè)造成極大的安全隱患,巖溶探測(cè)已成為重要研究課題。淺層地震是工程地質(zhì)勘察中的一種重要手段，其特有的高分辨率特性有利于確定地層界面、基巖起伏變化的形態(tài)。針對(duì)不同的地質(zhì)情況，采用相應(yīng)的野外觀測(cè)方法,經(jīng)過資料的解釋、處理，得到較好的效果。

巖溶淺層地震反射波法高分辨率

1 地質(zhì)概況及地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

某市區(qū)內(nèi)主要有單塔子群、長(zhǎng)城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭系、二迭系、侏羅系及第四系。開平復(fù)向斜是區(qū)內(nèi)主要褶皺構(gòu)造，由一系列軸向北東、軸面傾北西、大致平行排列的背向斜隱伏構(gòu)造組成。由西向東依次為車軸山向斜、碑子院背斜、開平向斜。西北翼構(gòu)造復(fù)雜，東南翼構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層平緩。斷裂走向分為東西向，北東向及北西向。

1.2 地球物理特征

地震波速和電阻率與地層的巖性、巖石孔隙度以及巖石孔隙中液體的性質(zhì)（特別是礦化度，含鹽飽和度）有著十分密切的關(guān)系。從圖1的實(shí)測(cè)結(jié)果上看，波速與電阻率對(duì)孔隙度和含鹽飽和度的變化量具有明顯的變化，當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)破碎、密集微裂隙時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)更加靈敏的反應(yīng)。因此地震勘探會(huì)對(duì)識(shí)別溶洞、斷層、破碎帶、采空區(qū)、油氣層及其污染源等方面非常有效。

探測(cè)目標(biāo)區(qū)域是在巖溶地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育的巖溶塌陷帶，斷層破碎帶，或者原穩(wěn)定地層中由于進(jìn)行人工開挖，形成空洞或采空冒落帶與裂隙帶，淺層地震勘探對(duì)它們具有較好的分辨能力，因此在目標(biāo)區(qū)域采用該技術(shù)探測(cè)非常合適。具備進(jìn)行地球物理勘探的地球物理前提條件。

圖1 電阻率和波速對(duì)介質(zhì)孔隙度和含鹽飽和度的反應(yīng)

2 淺層地震勘探基本原理

淺層地震反射波法是利用人工激發(fā)的地震波在彈性介質(zhì)傳播的規(guī)律,通過人工在地面激發(fā)彈性波,當(dāng)點(diǎn)源激發(fā)的地震波入射到地下介質(zhì)分界面時(shí),由于不同介質(zhì)間存在波阻抗差異,地震波會(huì)在地下不同介質(zhì)界面處產(chǎn)生反射，沿測(cè)線的不同位置用檢波器接收其反射波信號(hào)。對(duì)儀器接收到的地震波形資料,利用專門的地震資料處理軟件進(jìn)行全面分析、處理和計(jì)算,得到地震時(shí)間剖面。地震勘探示意圖見圖2。

圖2 地震勘探示意圖

地震反射波法通常采用共反射點(diǎn)多次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)。如圖3所示，分別在測(cè)線上不同位置的O1、O2、O3，……等處進(jìn)行激發(fā)，在相應(yīng)的接收點(diǎn)S1、S2、S3……等處接收來自地下反射界面R上同一點(diǎn)A的反射波，A點(diǎn)稱為共反射點(diǎn)CDP或CMP，M稱為共中心點(diǎn)(CMP)，S1、S2、S3……叫做共反射點(diǎn)疊加道，相應(yīng)的旅行時(shí)為t1、t2、t3……。共深度點(diǎn)疊加道的集合叫做共深度點(diǎn)道集。根據(jù)圖3簡(jiǎn)單幾何關(guān)系，可求得共深度點(diǎn)疊加道集內(nèi)反射波的時(shí)距曲線方程為：

式中,Xk為炮檢距;H為界面埋深;V為層速度。

當(dāng)Xk=0時(shí)，t0=2H/V是共中心點(diǎn)M處的法線旅行時(shí)。

圖3 共反射點(diǎn)探測(cè)原理圖

在共反射點(diǎn)疊加中，各疊加道中的第一個(gè)炮間距(XI)稱為最小偏移距，相鄰炮點(diǎn)的間距叫做炮點(diǎn)距(d)，則疊加道間距為2d。在水平層狀均勻介質(zhì)條件下，共反射點(diǎn)時(shí)距曲線與共炮點(diǎn)反射波時(shí)距曲線是類似的，區(qū)別在于共炮點(diǎn)反射波時(shí)距曲線反映的是來自地下反射界面上的一段，而共反射點(diǎn)時(shí)距曲線僅反映來自地下反射界面上的一個(gè)點(diǎn)。由共炮點(diǎn)反射波時(shí)距曲線方程可以得到共反射點(diǎn)時(shí)距曲線方程的正常時(shí)差為：

因此，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，經(jīng)過動(dòng)校正(即正常時(shí)差校正)之后，雙曲線型的共反射點(diǎn)時(shí)距曲線被校正為一條直線，然后進(jìn)行多次疊加，便得到了能量增強(qiáng)后的相當(dāng)于在M點(diǎn)處自激自收的反射信號(hào)，將測(cè)線上多個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)用上述方法處理后就可得到一組反映各點(diǎn)自激自收信息的疊加時(shí)間剖面。該方法對(duì)于壓制干擾波、提高信噪比有明顯的效果。地震反射波法可以直觀地反映出地層界面的起伏變化，對(duì)于探測(cè)地下隱伏斷層、空洞及非均勻異常體十分有效。

時(shí)深轉(zhuǎn)換方法原理是假設(shè)時(shí)間剖面上有一反射波同相軸,如圖4（a）所示,且已知其平均速度為V,則D1、D2、D3等各點(diǎn)相應(yīng)的界面深度可按h=1/2Vt式求得，并以D1、D2、D3等各點(diǎn)為圓心,以相應(yīng)的法線深度hi為半徑作圓弧,這些圓弧的包絡(luò)線便是所求的反射界面,如圖4（b）所示。

圖4 深度剖面圖

應(yīng)該指出,由于地震剖面線在地面上可布成不同的方位,而反射界面的產(chǎn)狀是一定的,因此使得所求深度也有所不同。在計(jì)算反射界面深度時(shí),常有法向深度、視深度和真深度之分,圖5表示了三種深度之間的幾何關(guān)系。假設(shè)：G為地面,R為反射界面,ψ為界面傾角,剖面線x方向和R界面傾向呈α角相交。根據(jù)反射波傳播定律,所討論的反射波是過x截面的射線平面內(nèi)（即圖中過O、M、N點(diǎn)的平面）的波信息。

在地震地質(zhì)條件比較復(fù)雜的條件下，特別是在外界干擾背景較嚴(yán)重時(shí)，采用單次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)探測(cè)是不可靠的。而進(jìn)行多次覆蓋外業(yè)觀測(cè)，采用有規(guī)律地同時(shí)移動(dòng)激發(fā)點(diǎn)與接收排列，在不同接收點(diǎn)接收不同激發(fā)點(diǎn)激發(fā)并由同一反射點(diǎn)反射回地表的反射波，然后將這些共反射點(diǎn)的反射波數(shù)據(jù)處理后疊加，這種做法對(duì)壓制多次干擾波，提高信噪比有良好的效果。

圖5 不同深度的關(guān)系圖

3 數(shù)據(jù)處理及解釋

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)處理使用Vista軟件包，根據(jù)野外原始資料品質(zhì)分析結(jié)果，并通過大量的處理方法和參數(shù)試驗(yàn)，最終選用了如下具有針對(duì)性的地震數(shù)據(jù)處理流程：（1）去噪處理；（2）靜校正處理；（3）剩余靜校正處理；（4）提高分辨率處理；（5）速度分析；（6）動(dòng)校正；（7）疊加處理；（8）解釋性處理a偏移處理b時(shí)間-深度轉(zhuǎn)換。

3.2 資料解釋

本次物探方法勘查的目的任務(wù)是：

（1）采用地震反射波法探明工作區(qū)內(nèi)基巖埋深、巖溶發(fā)育帶、溶洞及斷層，第四系覆蓋層結(jié)構(gòu)層序、土洞（擾動(dòng)土體）等；

（2）勘查深度要求地面以下深度150～200m。

依據(jù)地震勘探剖面的反射波組特征，結(jié)合地質(zhì)資料的對(duì)比分析，可以確定地震波組及其與地質(zhì)層位的關(guān)系，對(duì)反射波組的分叉、合并、中斷、尖滅等現(xiàn)象和上下地層反射波組的相互依賴關(guān)系的細(xì)致分析，能夠判斷這些變化與地層變化的關(guān)系，從而獲得地層的縱、橫向變化及構(gòu)造情況，進(jìn)而確定可能存在斷錯(cuò)反射層的斷裂的位置、產(chǎn)狀和活動(dòng)性。反射時(shí)間剖面解釋包括以下主要內(nèi)容：確定主要地質(zhì)層位與反射層的關(guān)系；確定地層厚度變化與接觸關(guān)系；判定斷層或破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造等。

原始地震記錄經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，得到了反映地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的地震反射時(shí)間剖面。剖面的橫坐標(biāo)為地下共反射點(diǎn)序號(hào)（CDP號(hào)），反射點(diǎn)（CDP）時(shí)距離為道間距的1/2，本次工作采用的道間距為3m，剖面上共反射點(diǎn)之間的距離為1.5m。剖面的縱坐標(biāo)為反射波的雙程垂直旅行時(shí)間，單位為ms。

地震反射界面剖面分析：總體而言，勘探獲得的500ms以上地震時(shí)間剖面存在多組震相清楚具有連續(xù)特征的強(qiáng)反射波。上部?jī)山M反射界面視頻率高、反射相位連續(xù)可追蹤的同相軸組成，雙程反射時(shí)間25ms～100ms、100ms～150ms，下部一組反射相位具有一定起伏與變化反雙程反射時(shí)間150 ms～200ms。200ms～500ms反射信號(hào)均具有一定的傾角,時(shí)間剖面傾斜方向的同相軸信號(hào)較弱。根據(jù)研究區(qū)域的地質(zhì)與地層結(jié)構(gòu)分析，上兩組地震波同相軸為第四系Q4與Q3和Q3與Q2地層的分界線，第三組地震波反射剖面時(shí)間同相軸為第四系與底部基巖的分界線，底部弱信號(hào)傾斜反射波特征為基巖內(nèi)層理或地層產(chǎn)狀的反應(yīng)特征。各層反射波同相軸的間斷、錯(cuò)動(dòng)、繞射弧等反映了土洞、巖溶、斷層或地下采空等地質(zhì)特征?？梢酝ㄟ^識(shí)別反射波同相軸及反射波形特征對(duì)勘查剖面的地質(zhì)特征進(jìn)行推斷與解釋。

4 結(jié)論

通過本次地球物理勘查，淺層地震勘探法，得出以下勘查結(jié)論：

(1)基本查清了勘探區(qū)范圍內(nèi)巖溶地質(zhì)災(zāi)害的分布，深度以及巖溶發(fā)育的地質(zhì)特征。共發(fā)現(xiàn)和確定斷層11條，斷層兩側(cè)30～50m范圍內(nèi)均發(fā)育有由采動(dòng)誘發(fā)斷層錯(cuò)動(dòng)或擾動(dòng)帶，應(yīng)注意此斷層錯(cuò)動(dòng)或擾動(dòng)帶對(duì)建筑物不均勻沉降的影響。勘查結(jié)果可作為采空區(qū)危害治理與評(píng)價(jià)的依據(jù)。為進(jìn)一步優(yōu)化巖溶危害評(píng)價(jià)，建議盡快對(duì)物探勘探結(jié)果進(jìn)行鉆探驗(yàn)證，確定巖溶塌陷與剩余沉降對(duì)建筑工程場(chǎng)地的影響。

(2)在地震地質(zhì)條件復(fù)雜或者噪音嚴(yán)重的地區(qū)，進(jìn)行淺層地震工作時(shí)，干擾波成為分辨和追蹤有效波的嚴(yán)重障礙。在此次勘察任務(wù)中，通過加大鐵錘重量，避免人為干擾夜間作業(yè)，正確安置檢波器（如為加強(qiáng)檢波器與大地耦合程度，應(yīng)去掉檢波器安置處的松軟表土、腐殖層，并給檢波器配置長(zhǎng)尾錐，使其垂直穿過松軟表土插入堅(jiān)實(shí)土層中；在基巖裸露地段，可用石膏將檢波器固接在巖石露頭的水平面上等），采用小排列六次覆蓋的觀測(cè)系統(tǒng)等都可提高地震數(shù)據(jù)的信噪比。

(3)在巖溶勘查中，表層因素及地面環(huán)境的影響往往較大，因此，在資料采集和處理的過程中，建議考慮高精度、高信噪比和高分辨率技術(shù),以提高勘查的精度和可靠性。

巖溶探測(cè)的方法很多,實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況及地質(zhì)任務(wù),靈活選用物探方法，可很好地解決各自的地質(zhì)任務(wù)。對(duì)一些地質(zhì)條件較復(fù)雜的情況，局部推斷的物探異常僅靠單一地震方法無法確定其性質(zhì)，建議與其它物探方法綜合對(duì)比解釋確定，即可應(yīng)用綜合物探方法。

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收稿：2015-01-07

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2015.04.003