淺層小尺度隱伏斷層地表勘探的正演模擬及應用

林承灝，王 雷，馮偉棟，彭劉亞，潘浩波

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

淺層小尺度隱伏斷層地表勘探的正演模擬及應用

林承灝，王 雷，馮偉棟，彭劉亞，潘浩波

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

采用二維聲波方程有限差分法對淺層小尺度隱伏斷層地質模型的地震波場響應進行數值模擬，分別從震源位于斷層下降盤頂、斷層上升盤頂及斷層頂三個不同位置進行正演模擬，對地震波場在斷層模型中的傳播規(guī)律及其地震記錄變化特征進行了詳細分析。結果表明多個單炮記錄的變化對比不僅可以對斷層進行快速有效的判斷，而且為分析斷層幾何類型、估計斷裂帶范圍與寬度等方面提供重要的依據。同時將模擬結果應用到實際生產中，取得了較好的應用效果。該方法能有效輔助實際野外工作中對斷層的判斷，為合理設計觀測系統(tǒng)及采集參數設置提供指導，對提高淺層地震勘探現場工作效率和精度具有重要作用。

聲波方程有限差分法；淺層小尺度隱伏斷層；地震波場

0 引言

我國是一個多發(fā)地震國家，頻度高、震級大、地震災害嚴重是我國地震活動的顯著特征，歷史上有許多大、中城市均遭遇過破壞性地震的襲擊［1－3］。地震的發(fā)生常受斷層控制，尤其是中強以上地震與活斷層關系更為緊密是目前一個公認事實［4］。隨著社會經濟的發(fā)展和城鎮(zhèn)化步伐的加快，城市地震災害對社會造成的危害也愈來愈大，因此活斷層是震害防御和抗震設防研究的重點內容。通過開展城市活斷層探測與地震危險性評價，查明活斷層的分布，評價其危害性的大小，為城市發(fā)展規(guī)劃、土地利用和城市防震減災提供科學的依據，具有重大的經濟和社會效益［5］。

近年來，高分辨率地震勘探作為城市活斷層探測的主要方法，在城市活斷層探測中取得了良好效果，并積累了許多寶貴經驗，但是在實際生產過程中，不同地區(qū)地震地質條件、第四系覆蓋層厚度以及目標斷層上斷點埋深等條件差異較大，對地震資料的采集、處理和解釋帶來了許多困擾［6－12］。為了進一步提高地震勘探質量和效率，優(yōu)化野外采集觀測系統(tǒng)，為地震數據處理和解釋提供有力依據，本文在目前城市活斷層探測工作的基礎上，選取目標斷層上斷點埋深較淺，斷距較小的淺層小尺度隱伏斷層進行正演模擬，利用聲波方程有限差分法模擬分析淺層小尺度隱伏斷層（以下簡稱斷層）地震波場響應特征［13－19］，并將模擬結果應用到野外生產中，在提高淺層地震勘探質量和效率等方面取得了滿意的效果。

1 聲波方程有限差分數值模擬

為了模擬分析斷層地震波場響應特征，本文采用二維聲波方程有限差分法進行正演模擬［20］，二維介質中的聲波方程表示為

其中，v（x，z）為介質在（x，z）點處的縱波速度，u（x，z，t）為該點位移。利用Taylor公式，得到二階精度時間差分近似為：

其中，Δt為時間采樣間隔。

空間上四階精度差分格式近似為：

其中，Δx，Δz分別為橫向x，縱向z方向上空間采樣間隔。

為了數值計算的穩(wěn)定、收斂性，四階差分的單元網格大小和采樣率滿足條件為：

其中，vmax為介質的最大波速，Δh＝min（Δx，Δz）。

為了消除人為邊界帶來的各種干擾波動，采用改進的吸收邊界條件［21］，地表為自由表面，使得有效信息不受邊界干擾。

2 淺層小尺度隱伏斷層地震波場特征分析

2.1 正演模型構建

城市活斷層探測主要目的層是第四系沉積地層［1］，其主要分布特點是近水平層狀分布，層內物質屬性相近，層間物質屬性差異較大，因此，可以將層狀地層看作橫向各向同性介質。本文以典型的淺層小尺度隱伏斷層為基礎，以第四系水平層狀地層為地質背景，建立淺層小尺度斷層模型（圖1）。其中，模型縱向和橫向長度分別為200m和130m，斷層傾角選取60°，斷層性質為正斷層，圖中S1代表層位1與層位2分界面；S2代表層位2與層位3分界面，其中S21與S22分別表示上升盤和下降盤對應的層間分界面；S3代表層位3與層位4分界面，其中S31與S32分別表示上升盤和下降盤對應的層間分界面，斷層模型地質參數見表1。

表1 斷層模型地質參數Tab.1 Geological parameters of the fault model

觀測系統(tǒng)采用2種方式，一種為中間放炮，炮點位于斷層頂部B點，即100m位置；另一種為炮點位于斷層頂部左側A點和頂部右側C點位置，即分別為70m和130m位置，接收道均為101道，道間距2m。采集參數選取地震子波為雷克子波，主頻90Hz，采樣間隔0.25ms，記錄長度0.25s。

2.2 地震波場特征分析

為了更加全面地觀測地震波場響應特征，在

上述地震地質模型的基礎上，結合野外施工特點，分別從炮點位于斷層A、B和C點位置建立觀測系統(tǒng)并對地震波場特征進行分析。

（1）炮點位于斷層上升盤頂A點

圖2為A點放炮時地震波場快照，從圖2中所表現出的波場變化可以看出：首先，當波前穿過S1層面時，形成反射波，并且地層2中行進的波前快于上覆地層1中波前，這是由于上覆地層1波速小于下伏地層2波速（圖1a與1b）；其次，當波前行進至斷層位置時，最先到達上升盤S21層面，形成反射波，由于層位被斷層錯斷不連續(xù)，導致反射波中斷，中斷處斷點位置形成斷點繞射波，同樣，當波前行進至S3層面是也具有相同的特征（圖2c至圖2f）。

（2）炮點位于斷層頂B點

圖3是為B點放炮所形成的的地震波場快照圖，與圖2相比，其波場特征較為復雜，主要表現在下面幾點：

首先，圖3a和3b中的地震波場特征與圖2a和圖2b一致，當波前行進至第一個層面S1時形

成反射波；其次，當波前行進至斷層位置時，最先到達第一個拐點位置，形成斷點繞射波，緊接著在斷層上下盤均產生反射波，反射波與繞射波相連，形成弧形波前；再次，在波前沿著斷層面行進過程中，由于斷面兩側速度差異形成斷面波，斷面波與上升盤的端點繞射波相連，與下降盤的反射波斜交（圖3c與3d）。需要指出的是，由于斷面兩側地層速度差值是受地層厚度、斷層落差等因素影響具有不穩(wěn)定性，如圖3e與圖3f中層位3厚度大于斷層落差，地層并未全部錯開，斷面部分區(qū)段兩側波速值相同，因此，圖中形成能量時強時弱，時隱時現的傾斜“V”字形斷面波（圖3e與圖3f），并且分別與斷層下降盤層面S22與S32反射波斜交。

（3）炮點位于斷層下降盤頂C點

圖4是在C點放炮所形成的的地震波場快照圖，從圖中可以看出：首先，當波前行進至第一層底界面S1時形成反射波（圖4a與4b）；其次，當波前行進至斷層位置時，最先到達S22層面，形成能量較強的反射波，該反射波在斷層位置斷開，同時，在第一個拐點形成斷點繞射波，在S21層面形成與斷點繞射波相連的反射波，值得注意的是，與前面圖2e和圖3e相比，該處的S21層面與S22層面反射波以及斷點繞射波波前幾乎重疊，很難分辨（圖4c與圖4d）；再次，當波前沿著斷層面行進過程中，形成與與圖3特征基本一致的“娥眉”形斷面波（圖4e與圖4f），該斷面波與斷層下降盤層面S22與S32反射波斜交。

（4）地震正演模擬記錄分析

圖5為炮點位于斷層頂不同位置激發(fā)所獲得的單炮記錄，其中，a、b、c所示分別為炮點位于圖1中A、B、C三種情況的單炮記錄。從圖5中可見：首先，S1層面未被斷層錯斷，在三張單炮記錄中的反射波波形均連續(xù)完整，能量較強，S2與S3層面反射波出現同相軸錯斷不連續(xù)，錯斷形成S21、S22和S31、S32兩對下伏地層反射波，在同相軸錯斷處存在能量強弱不同的繞射波，該繞射波來自斷層斷點；其次，圖5b與圖5c中均接收到能量較強的斷面波，斷面波與上升盤斷點繞射波相連，與下降盤反射波相交，并且將上下盤多個層位的波形串聯，是識別斷層的重要標志；再次，S21與S22之間以及S31與S32之間的相位差在圖5a中的值大于圖5b與圖5c，表現為圖5 a中斷層上下盤反射波的分辨率逐較高，為斷層上斷點的確定提供了重要保證。

通過上述研究分析，獲得以下重要結論：

（1）在淺層小尺度隱伏斷層上部以點震源激發(fā)的聲波場中存在地層反射波、斷面波以及斷點繞射波，斷面波與同一層位的上升盤斷點繞射波相連，與下降盤地層反射波相交，并且將上下盤中多個層位的反射波串連，是識別斷層的重要特征波；

（2）震源位置的改變，斷層地震波場響應特征也發(fā)生相應變化，當震源位于斷層上升盤頂附近時，斷層上下盤中同一層位的反射波相位差最大，斷層分辨率最高，有利于上斷點位置的確定，尤其對于地層厚度薄、斷距較小的淺層隱伏斷層；當震源位于斷層下降盤時，斷面波發(fā)育最完整，有利于單炮記錄中斷層的識別；當震源位于斷層頂時，可以觀測到整個斷層的波場特征。

因此，根據淺層小尺度隱伏斷層地震波場傳播規(guī)律及地震記錄特征，可以用來指導單炮記錄中斷層異常的快速識別，同時根據單炮記錄的變化特征，為估計斷裂帶范圍、寬度及斷層埋深等特征提供依據。

3 應用實例

3.1 工程概況

六安市地震小區(qū)劃隱伏斷裂探測工作中，為了查明目標區(qū)內的幾組隱伏斷裂位置、產狀等地質特征，項目組圍繞現有地質資料，結合場地條件，布置了多條淺層地震勘探測線。目標區(qū)內局部地區(qū)露出新近紀、古近紀和白堊、侏羅紀地層，第四紀松散堆積物厚度分布不均，區(qū)內覆蓋層厚度在20～40m，分布上呈北厚南薄。據已完成的鉆孔資料揭示，第四紀覆蓋層具備一定的厚度，且基巖面往上具備有效反射波的物性條件，為運用淺層地震勘探手段確定斷裂的具體位置和上斷點埋深提供了較為良好的客觀條件。

本次工作運用前述正演模擬地震記錄中斷層的反映特征，結合已有地質資料，對可能存在斷裂異常的單炮地震記錄進行分析，最后利用多道地震記錄疊加剖面進行驗證。

3.2 地震記錄分析

此次地震勘探觀測系統(tǒng)采用中間激發(fā)對稱觀測系統(tǒng)，可控震源施工，采樣率0.5ms，采樣長度1024ms，道間距2m，炮間距6m，接收道數72道。在QZ4－2測線的原始單炮地震記錄中發(fā)現1處疑似斷點位置，命名為F1，根據前面地震模型數值模擬獲得的單炮記錄特征，本次工作在疑似斷點兩側以及跨斷層的位置挑選出較為典型原始單炮記錄進行分析，同時選擇一張未受斷層影響的單炮記錄作為對比，如圖6所示，從測線小號端到大號端的單炮記錄依次如圖6a～6c所示，圖6d為未受斷層影響的對比單炮記錄。

根據斷層在地震模擬單炮記錄中的反映特征，對圖7中疑似斷點附近的單炮記錄進行分析，有以下幾點認識：

（1）實際采集的單炮記錄反射波雙曲線特征沒有模擬地震記錄的清晰明顯，但是基本特征保持一致。

（2）從整體上看，整個地震記錄上發(fā)現一組反射波雙曲線，其形態(tài)特征較為明顯，當震源相對斷層位置改變時，雙曲線的形態(tài)出現較為明顯的差異，如圖6a～6c中，當震源位于某一斷盤時，該斷盤震相特征明顯，另一斷盤反射相位模糊甚至缺失。

（3）P1地層層面反射波出現同相軸錯斷不連續(xù)，錯斷形成P11和P12一對地層反射波，在同相軸錯斷處存在能量強弱不同的斷點繞射波；并且圖6a與6b中均反映出能量較弱的斷面波，該特征是斷層在地震波場中反映的重要特征，根據前面地震模型模擬記錄特征，當炮點位于斷層頂部和下降盤時，斷面波特征明顯，據此推斷圖6a與6b分別為斷層下降盤和斷層頂部，圖6c即為上升盤。

（4）根據原始單炮記錄中斷層反映特征，第343至355炮（炮點樁號2124－2196）均受到來自

斷層的影響，據此推斷F1斷層影響帶寬度約72m（炮點樁號2124－2196）。

3.3 地震剖面解釋驗證

通過單炮地震記錄分析判斷斷層位置及其特征等在很大程度上受單炮記錄信噪比、分辨率影響，常規(guī)的分析方法是通過多道地震記錄疊加即共中心點或反射點疊加方法，獲取地震剖面圖，其信噪比和分辨率明顯高于單炮地震記錄。因此，利用時間疊加剖面對原始單炮記錄的解釋結果進行驗證具有可行性。

根據采集地震單炮記錄，經過室內數據處理分析，獲得該測線的時間疊加剖面圖，圖7為其中存在斷層異常的一段剖面圖。根據分析可知，P1波組雙程反射時間約170～180ms，覆蓋層平均波速約為320m／s，反映界面埋深約27～29m；F1為正斷層，視傾向SW，視傾角約75°，根據同相軸錯斷情況推測破碎帶寬度約 58m（樁號 2144－2202）。

通過上述應用實例，我們發(fā)現根據正演模擬的地震波場傳播規(guī)律及地震記錄特征可以較好的

指導實際單炮記錄的反演工作，實際應用過程中需要注意以下幾點：

（1）從整體到局部：根據整條測線上信噪比較高的正常單炮記錄識別反射雙曲線，通過雙曲線異常變化特征初步圈定異常單炮記錄范圍。

（2）從深部到淺部：對于單炮記錄中存在多組反射雙曲線的情況下，應從深往淺分析，一方面由于斷層是從深部向淺部發(fā)育，另一方面是一般情況下深部基巖斷層錯距較淺部松散層錯距大，單炮記錄中的相位特征更易識別分析。

（3）動態(tài)對比分析：橫向上根據鄰近多張單炮記錄對比分析，縱向上利用深淺相位相互驗證，進行動態(tài)分析。

（4）特征波分析：斷面波及斷點繞射波是斷層識別的重要特征波，尤其是斷面波對分析斷層兩盤的相對運動關系具有重要的價值。

由于受到外界環(huán)境隨機干擾、斷層破碎帶的散射效應、地層起伏以及三維效應等，實際單炮記錄中存在各種干擾波，導致斷層正演模擬的結果在指導實際反演工作中存在一定局限性，后期可以通過構建更加精準的斷層模型加以研究。

4 結論

通過聲波方程有限差分法，對淺層小尺度斷層模型進行高精度、高分辨率的地震正演模擬，分別從炮點位于斷層上升盤、斷層頂及下降盤位置激發(fā)情況下，斷層在地震波場中的反映特征及其地震單炮記錄進行了深入分析與總結。最后，將數值模擬研究所獲得的斷層反映特征認識應用到野外實際生產中去，通過與時間疊加剖面解釋結果的對比驗證，兩者具有較好的一致性，取得了較好的應用效果。

（1）運用聲波方程有限差分法，對淺層小尺度隱伏斷層地質模型進行正演模擬，揭示了地震波在淺層物性差異小的層狀介質模型中的波場特征及傳播規(guī)律，有助于正確認識埋深淺、錯距小、物性差小的斷層在地震波場及記錄中反映特征。

（2）根據正演模擬果，分析總結了炮點位于斷層斷盤不同位置所反映的地震記錄差異，為通過地震記錄分析斷層幾何類型，估計斷裂帶范圍與寬度的可靠性和有效性提供了重要依據。

（3）由于在淺層地震勘探工作中，存在勘探深度淺、震源頻帶窄且持續(xù)時間長、地層厚度薄、層間波阻抗差異小，反射信號弱，不同層之間的信號相互影響，信號信噪比、分辨率較低等問題。通過研究斷層模型正演模擬的響應特征，不僅可以輔助實際生產施工時建立合理的觀測系統(tǒng)以及采集參數設置，而且通過多個單炮記錄聯合觀察分析，可以對斷層異常特征進行有效的判別，提高了勘探質量和效率。

（4）斷層模型正演模擬研究，不僅可以提高野外勘探質量和效率，而且可以為地震數據處理提供依據和地震資料解釋提供驗證數據，可獲得直接應用于生產的重要地震信息。

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Forward Modelling and Application of Shallow Small Scale Buried Fault Surface Exploration

Lin Chenghao，Wang Lei，Feng Weidong，Peng Liuya，Pan Haobo
（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

Seismic wave field response of shallow small scale buried fault’s geological model was simulated by using two?dimensional acoustic wave equation finite difference method.The fault model were simulated from three different locations，namely on the top of downthrown side，upthrown side and fault respectively.The propagation rules of seismic wave field in fault model and the variation characteristics of seismic records were analyzed in detail.As a result，it not only identified fault quickly and effectively，but also provided important data to analysis of fault geometry type，the estimate of fault range and its width through the comparison and analysis of multiple single shot seismic records.At the same time，the simulation result was applied to the actual production and it has achieved good application effects.This method can effectively assist fault identification in practical production，and provide significant guidance to rational design of observation system and acquisition parameter set.It has an important role in improving efficiency and accuracy of shallow seismic prospecting.

acoustic wave equation finite difference method；shallow small scale of buried fault；seismic wave field

P631.4

A

1673－8047（2016）03－0045－08

2016－04－10

安徽省地震局科研合同制項目（201515）

林承灝（1984—），男，碩士，工程師，主要從事工程地球物理勘探。