淺層地震反射波法在石膏礦采空區(qū)調(diào)查中的應(yīng)用

胡安順，孟慶魯

(山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000)

山東省蘭陵縣具有豐富的石膏礦產(chǎn)資源，在歷史開采過程中產(chǎn)生的采空區(qū)會造成地面局部塌陷形成地裂縫和地面塌坑等地質(zhì)災(zāi)害，給當(dāng)?shù)鼐用裆詈蜕a(chǎn)帶來一定安全隱患。為查明該縣石膏礦采空區(qū)分布范圍，受蘭陵縣國土資源局委托，針對礦山開采范圍利用地震反射波法開展物探測量工作，基本查明了礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)分布情況，為下步采空區(qū)恢復(fù)治理工作提供相應(yīng)的地球物理依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)地層較簡單，第四系分布于全區(qū)，下伏地層為古近紀(jì)官莊群卞橋組。該組自下而上分為三段：卞橋組第一段：紫紅色、磚紅色、紫褐色、灰色泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖夾少量泥巖。在該段的頂部局部分布有石膏巖層，區(qū)域厚度480m。卞橋組第二段：為含膏巖系，石膏礦的賦存層位，研究區(qū)范圍內(nèi)共見有11個礦層。巖性主要為灰黑色、灰褐色泥巖、含膏泥巖、泥膏、普膏、纖膏及少量炭質(zhì)泥巖、油頁巖等，偶見動物化石碎片，其中泥膏、普膏、泥巖、含膏泥巖等基本呈互層狀相間分布；礦區(qū)內(nèi)厚度114.84～140.5m。卞橋組第三段：灰、灰黑、紫褐色泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖、長石石英砂巖、泥灰?guī)r等；深灰色泥巖中夾少量厚0.20～0.40m炭質(zhì)泥巖；灰色泥巖中?？梢姲牿w類、腕足類、介形蟲、輪藻等化石。區(qū)域真厚度229～358m，平均厚度276m，礦區(qū)殘留厚度17.88～126.37m。第四系覆蓋區(qū)，總厚度27.30～30.45m。上部有1～1.5m厚的黑灰色粘土、亞粘土，其下以黃褐色、褐色粘土、亞粘土為主，夾有砂質(zhì)粘土及亞粘土。

石膏礦賦存于卞橋組第二段中，礦層由SW向NE傾斜，呈單斜構(gòu)造，傾角一般7°～8°，局部被斷層切錯。自下而上共11個礦層，其中第Ⅴ、Ⅷ層為主礦層，Ⅷ礦層大部分已經(jīng)開采。Ⅴ礦層厚度7.34～8.04m，礦層賦存標(biāo)高為-50m～-200 m，埋深80～230 m。礦石類型以石膏為主，屬穩(wěn)定性礦層。頂、底板巖性均為紫褐色泥巖，上部與Ⅶ礦層距離13.97～14.17m。Ⅷ層為主礦層，礦層厚度4.50～11.22m,平均厚度8.86m。

2 地球物理條件

調(diào)查區(qū)地層上部為第四系，下伏為古近紀(jì)石膏層，表層第四系與下伏基巖存在明顯的波阻抗差異，從表1可以看出，第四紀(jì)粘土層縱波速度較小，在200～700m/s之間，含膏層位巖性主要為砂巖、泥巖等，縱波傳播速度較大，在1300～4000m/s之間變化，巖性之間存在較為明顯的速度差異，給運(yùn)用淺層地震勘探提供了地質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)含膏層位膏層未被開采時，各目的層的反射波出現(xiàn)較強(qiáng)的連續(xù)反射波組，當(dāng)膏層被開采時，由于頂板冒落，巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞，出現(xiàn)反射波紊亂，產(chǎn)生繞射，能量衰減等現(xiàn)象，反射波組不能連續(xù)追蹤，據(jù)此可以確定采空區(qū)位置。因此，在調(diào)查區(qū)開展淺層地震勘探，具備較好的地球物理條件。

表1 測區(qū)巖石縱波速度參數(shù)

3 地震反射波法勘探原理及參數(shù)選擇

作為地震勘探的一個分支，淺層地震反射波法是利用地下介質(zhì)彈性和波阻抗的差異，通過觀測和分析人工地震產(chǎn)生的地震波在地下的傳播規(guī)律，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)的一種地球物理勘探方法。從震源激發(fā)出的彈性波入射到反射界面上產(chǎn)生反射，反射波返回地表，被檢波器依次接收，并由地震儀記錄下來。反射地震記錄內(nèi)包含著多種信息，其中反射波的旅行時間和震源到檢波器之間距離的關(guān)系，稱為時距曲線。用時距曲線可反演出地下反射界面的幾何形態(tài)(地質(zhì)構(gòu)造)；而在地震反射信息中，還包含有地震波的振幅、相位、頻率、速度、極性以及其他一些參數(shù)，表現(xiàn)出反射波的動力學(xué)特點(diǎn)，它能給出地層巖性的特征，有助于判斷沉積環(huán)境和識別地質(zhì)構(gòu)造，如采空塌陷等[1-8]。

式中：t—波旅行時間(s)；x—激發(fā)點(diǎn)到接收點(diǎn)的距離(m)；v—介質(zhì)的波速(m/s)；φ—界面傾角[9]。

該次地震反射波法勘察使用儀器為青島驕鵬工程技術(shù)研究所有限公司生產(chǎn)的Miniseis48A型綜合工程探測儀。為獲得有效的地震資料，地震勘探施工前進(jìn)行了試驗工作。在研究區(qū)內(nèi)布置一個大排列，采用24道接收，10m道間距。在排列附近分別采用10m,20m,30m的不同偏移距進(jìn)行激發(fā)試驗，觀察激發(fā)效果，以確定有效的觀測范圍，選擇合理的技術(shù)參數(shù)。

圖1 偏移距地震單炮記錄(a：10m，b：20m，c：30m)

從圖1三幅單炮記錄中不難看出，當(dāng)偏移距為10m時，反射波能量較強(qiáng)，但同時面波干擾也較強(qiáng)，分辨率相對較低；當(dāng)偏移距為30m時，面波干擾得到壓制，但同時反射波能量也變?nèi)?；?dāng)偏移距為20m時，反射波能量和與面波的分辨率同時較好，故該區(qū)開展地震反射波勘察偏移距選擇20m比較合適。

反射法觀測廣泛采用多次覆蓋技術(shù)。采用多次覆蓋技術(shù)的好處之一就是可以削弱多次反射干擾，也可消除一些隨機(jī)噪聲的干擾。多次覆蓋反射波法的基本思想是對地下反射界面上各點(diǎn)的地質(zhì)信息進(jìn)行多次觀測，即在測線上不同點(diǎn)激發(fā)、相應(yīng)點(diǎn)接收來自地下界面相同反射點(diǎn)的多個反射波。這需要多次覆蓋觀測系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，以簡單的單邊放炮6次覆蓋為例，每放1炮可得到地下24個反射點(diǎn)，每放完一炮，炮點(diǎn)和接收排列同步向前移動2個道間距，組成6次覆蓋觀測系統(tǒng)。其中：第1炮第21道，第2炮第17道，第3炮第13道，第4炮第9道，第5炮第5道，第6炮第1道都是來自同一點(diǎn)的反射，稱為該點(diǎn)的共反射點(diǎn)(疊加)道集。數(shù)據(jù)處理時可將地下所有來自同一反射點(diǎn)的地震道提取出來，重新組成共反射點(diǎn)道集，通常稱為CDP道集[10-13]。為獲得較好的能量，該次接收道數(shù)采用12道，覆蓋6次觀測。

該次二維地震勘探采用單邊激發(fā)觀測系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)參數(shù)為接收道數(shù)：12道接收；道間距：10m；偏移距：20m；覆蓋次數(shù)：6次；激發(fā)：采用200kg落重激發(fā)，能量不夠時采用多次疊加覆蓋；檢波器：采用自然頻率為100Hz的高頻數(shù)字檢波器。

4 工程布置

受地表建筑物影響，該次工作根據(jù)場地實(shí)際情況，該次工作共布置地震剖面12條，測點(diǎn)間距10m，各測線布置情況見圖2。

圖2 山東省蘭陵縣石膏礦區(qū)地震勘探平面成果圖

5 資料整理

該次二維地震資料處理工作流程為解編(數(shù)據(jù)拼接)→觀測系統(tǒng)創(chuàng)建→疊前濾波→振幅補(bǔ)償→初至切除→反褶積→靜校正→速度分析→動校正→剩余靜校正→水平疊加→疊后反褶積→時變?yōu)V波→疊后偏移→時深轉(zhuǎn)換。針對該區(qū)地震資料品質(zhì)以及存在的主要問題，經(jīng)過反復(fù)試驗及試處理工作，掌握了該區(qū)資料處理的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確定了該次處理的重點(diǎn)是疊前去噪、初至切除、速度分析、疊后處理等，最終取得了較好的處理效果[14-18]。

6 資料解釋

地震反射波法勘察是利用人工激發(fā)的地震波在地層的傳播過程中，在波阻抗界面上產(chǎn)生的反射信號進(jìn)行分析，用以推斷界面深度、構(gòu)造形態(tài)及其物性參數(shù)。采空區(qū)是由于人為挖掘或者地質(zhì)作用等原因形成的存在于地表以下一定深度的空洞，在石膏礦采區(qū)主要是指在開采過程中形成的無礦區(qū)及巷道。由于采空區(qū)與未采礦層以及圍巖在速度和密度方面存在一定的差異即波阻抗差異，這一差異會在地震波的傳播過程中引起響應(yīng)，出現(xiàn)反射波紊亂，產(chǎn)生繞射，能量衰減等現(xiàn)象，反射波組不能連續(xù)追蹤。故而可以通過識別這一地震響應(yīng)來判別采空區(qū)的邊界及其分布范圍[19-20]。

該區(qū)采空區(qū)分為塌陷采空區(qū)和未塌陷采空區(qū)，根據(jù)該次勘探結(jié)果，不同性質(zhì)采空區(qū)地震剖面表現(xiàn)為不同的特征：

(1)無采空區(qū)：對于無采空區(qū)即沒有開采的正常區(qū)，研究區(qū)地層呈現(xiàn)正常的層狀反映。地震反射波振幅隨著炮間距的增大逐漸均勻衰減。疊加后整條剖面幅值比較均勻，反射波同向軸較為連續(xù)，無明顯異常存在，反應(yīng)該測線控制范圍內(nèi)地層較為穩(wěn)定，如7線(圖3)。

圖3 山東省蘭陵縣石膏礦區(qū)7線地震剖面成果圖

(2)未塌陷采空區(qū)：對未經(jīng)填充的無塌陷采空區(qū)，其內(nèi)部空間通常為水、空氣或瓦斯等氣體。地震波在采空區(qū)與圍巖形成的邊界上會產(chǎn)生反射波，采空區(qū)頂板的反射波通常接近雙曲形態(tài)，或與不規(guī)則邊界形態(tài)相似。當(dāng)采空區(qū)被水體填充時，反射波在盲區(qū)內(nèi)形成頂板或底板的多次反射，并且反射波的頻率、振幅也會發(fā)生變化；當(dāng)采空區(qū)為氣體時，反射波能量很弱，形成能量的空白帶，如1線(圖4)。測線淺部反射波較為連續(xù)，為上覆第四系的反應(yīng)，在45～70m深度左右，反射波同向軸出現(xiàn)錯段，反射波能量向軟弱帶集中，反應(yīng)較為明顯，可以推斷此為采空區(qū)影響所致，且該處采空區(qū)較淺，頂板埋深大概在45～70m左右。

圖4 山東省蘭陵縣石膏礦區(qū)1線地震剖面成果圖

(3)塌陷采空區(qū)：根據(jù)大多數(shù)開采和勘探實(shí)例可知，塌陷的采空區(qū)會對上覆巖層產(chǎn)生一個影響范圍，由于這些影響范圍的存在，會對地震波有很強(qiáng)的吸收頻散衰減作用，使反射波頻率降低，并且破碎圍巖及裂隙還會引起反射波波形紊亂甚至產(chǎn)生畸變，采空區(qū)下方則由于巖層相對完整而變化不明顯，在地震時間剖面上表現(xiàn)為反射波組的中斷或消失，形成推斷采空區(qū)的“先兆”。對于嚴(yán)重塌陷的采空區(qū)，由于采空區(qū)內(nèi)塌陷所造成的充填物在采空區(qū)內(nèi)部均呈現(xiàn)出雜亂無章以及無序堆積的形式，所以在采空區(qū)內(nèi)地震波的波速常常會由于這些充填物的存在而降低，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部的地震反射波會與圍巖的地震反射波存在一個較為明顯的走時差。此外，由于采空區(qū)內(nèi)部充填物的雜亂堆積會造成地震反射波的同相軸發(fā)生能量減弱、連續(xù)性降低等現(xiàn)象，也會形成推斷采空區(qū)存在的明顯標(biāo)志。從8線地震剖面成果圖上可以看到(圖5)，該剖面整體上呈現(xiàn)出反射波同相軸連續(xù)性較差的特征。150m深度以下，反射波能量較弱，局部同相軸消失，出現(xiàn)能量空白帶，推斷為采空區(qū)的反應(yīng)；150m以上反射波有同相軸出現(xiàn)，但是同相軸連續(xù)性較差，不同地段反射波能量出現(xiàn)明顯差異。反射波的這種特征推斷為采空區(qū)塌陷造成，采空區(qū)塌陷以后，填充物的無序堆積使波速降低，填充物分布的不均勻使得不同地段對反射波的影響程度不同。局部塌陷嚴(yán)重地段，會形成規(guī)模不等的地裂縫，反射波同相軸的斷崖式錯段、消失就是這種地質(zhì)現(xiàn)象的反映。

1—礦區(qū)邊界；2—推斷采空區(qū)；3—地震反射剖面；4—道路圖5 山東省蘭陵縣石膏礦區(qū)8線地震剖面成果圖

該次利用淺層地震勘探技術(shù)在調(diào)查區(qū)范圍內(nèi)共圈定地下采空區(qū)塌陷區(qū)2處，結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)資料，該次工作推斷的采空區(qū)分布范圍及深度與調(diào)查區(qū)內(nèi)的石膏礦層分布基本一致。采空區(qū)分布面積較大，且深淺不一，采空區(qū)深度分布多在50～300m，在地震勘探剖面上，呈現(xiàn)出不同深度的反射波同向軸異常。

7 結(jié)語

(1)通過對山東省蘭陵縣某石膏礦采空區(qū)進(jìn)行勘查表明，淺層地震反射波法是較為有效的地下采空區(qū)勘探手段，其受電、磁等干擾影響較小，不受體積效應(yīng)影響，推斷可靠性較高。

(2)在不具備放炮條件的情況下，根據(jù)探測深度要求，激發(fā)時可采用錘擊或機(jī)械震源，可重復(fù)激發(fā)，多道采集覆蓋，野外操作較簡便，成本較低。

(3)在工作中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況，通過典型性試驗選擇適當(dāng)?shù)墓ぷ骷夹g(shù)參數(shù)是有效壓制數(shù)據(jù)干擾、提高勘探準(zhǔn)確性的前提條件，合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理與速度分析等計算是非常有效提高資料質(zhì)量的措施。

[1] 陸基孟.地震勘探原理[M].東營：中國石油大學(xué)出版社，1993:20-27.

[2] 王振東.淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，1994:17-25.

[3] 張明學(xué).地質(zhì)勘探原理與解釋[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010:50-56.

[4] 王永剛.地震資料綜合解釋方法[M].北京：石油大學(xué)出版社，2007:33-38.

[5] 陳仲侯,傅唯一.淺層地震勘探[M].成都：成都地質(zhì)學(xué)院出版社，1986:28-36.

[6] 王興泰.工程與環(huán)境物探新方法新技術(shù)[M].北京：地質(zhì)出版社，1996:38-46.

[7] 單娜琳,程志平,劉云禎.工程地震勘探[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006:22-27.

[8] 李正文,賀振華.勘查技術(shù)工程學(xué)[M].北京：地質(zhì)出版社，2003:19-26

[9] 易輝,楊玲,陳松,等.淺層地震反射波法在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(25)：16-17.

[10] 牟義,黎靈,張永超,等.淺層地震法探測淺煤層采空區(qū)試驗研究[J].煤炭技術(shù),2014,33(6)：69-71.

[11] 冉志杰,楊歧焱,翟星,等.淺層地震勘探在地下采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].勘察科學(xué)技術(shù),2013(2)：56-60.

[12] 張銀松，雷宛，祝杰,等.淺層地震反射波法的參數(shù)選擇及其應(yīng)用效果[J].勘察科學(xué)技術(shù),2011(4)：16-18.

[13] 戴呈祥,王慶海.淺層反射波法地震勘探數(shù)據(jù)采集中應(yīng)注意的幾個問題[J].物探與化探,1989,13(1)：69-74.

[14] 劉祖珉,雷宛,魯紅英,等.淺層地震反射波法在某重大工程預(yù)選廠址中的應(yīng)用[J].成都理工大學(xué)學(xué)報,2006,33(4)：345-348.

[15] 王濤.工程物探在s244省道K9+500～K10+100采空區(qū)的應(yīng)用[J].山東國土資源,2013,29(5)：33-36.

[16] 曹江濤,翟偉強(qiáng),方勇.淺層地震反射波法在山區(qū)工程勘察中的應(yīng)用[J].工程勘察,2014,42(8)：84-88.

[17] 武秀芳,薛勇軍.綜合物探方法在煤礦采空區(qū)勘測中的應(yīng)用[J].華北國土資源,2007(2)：48-49.

[18] 劉建勝,李樹榮,王愛民.采用綜合物探和鉆探方法查明章丘礦山采空區(qū)[J].山東國土資源,2007,23(3)：17-20.

[19] 林承灝,潘浩波,方良好,等.淺層地震反射波法在某大型工程場址工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2016,13(5)：652-658.

[20] 張凱，汪青松.淺層地震反射波法在塌陷勘察中的超前預(yù)報[J].物探與化探,2010,34(1)：85-88.