三維地震技術(shù)在塌陷區(qū)預(yù)測及成因分析中的應(yīng)用

和芬芬

(中石化地球物理公司 科技研發(fā)中心，江蘇 南京 211100)

1 引 言

地面塌陷是指上覆巖層發(fā)生破壞，巖體下陷或塌落在地下空洞中，在地表形成不同形態(tài)塌陷坑(洞)的一種動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象[1]。目前，針對塌陷區(qū)進(jìn)行探測的地球物理方法主要有高密度電法、探地雷達(dá)法、瞬變電磁法、瞬態(tài)瑞雷面波法以及地震反射波法[2-5]。其中地震方法探測深度大、分辨率高，空間定位準(zhǔn)確[6]，可對地下構(gòu)造和地質(zhì)體進(jìn)行精確成像，具有其他地球物理方法所不具備的空間勘察精度優(yōu)勢。2010年，張凱等[7]利用淺層地震反射波法對塌陷坑及周邊進(jìn)行了全方位探查，查明了塌陷成因，圈定了安全范圍；2015年劉章平等[8]在鹽礦區(qū)開展了二維地震勘查，預(yù)測了潛在的異常塌陷區(qū)；2019年，王孟克等[9]應(yīng)用地震反射波法查明了長平高速公路下伏斷層破碎帶和塌陷空間分布情況，并得到了鉆孔驗(yàn)證。這些都表明應(yīng)用地震反射波法對塌陷區(qū)進(jìn)行探測是完全可行的[10]。

山東某農(nóng)田區(qū)自2016年9月至今先后發(fā)生了4次不同程度的塌陷，嚴(yán)重威脅了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文應(yīng)用地震勘探方法，查明了塌陷深部的地質(zhì)構(gòu)造特征，并在三維空間內(nèi)預(yù)測了塌陷范圍，分析了塌陷成因，為該區(qū)的安全評估提供了有效依據(jù)。

2 地質(zhì)特征

工區(qū)地勢平坦，地表海拔為31～45 m，斷裂較為發(fā)育，以左旋壓扭性斷裂為主。地表被第四系臨沂組覆蓋，屬風(fēng)成因沉積，表土為黃土，土質(zhì)松散含水性差，地表水極其稀少，其他沉積地層均被剝蝕，第四系下普遍發(fā)育蝕變閃長巖、矽卡巖、大理巖等變質(zhì)巖。

3 地震資料采集

以塌陷區(qū)為中心，開展了0.84 km2的三維地震采集，選用3 552道全排列接收觀測系統(tǒng)，具體參數(shù)為：面元網(wǎng)格5 m(縱)×10 m(橫)，接收線距20 m，炮線距60 m。通過試驗(yàn)分析，確定激發(fā)參數(shù)為單井激發(fā)，井深4 m,藥量1 kg；接收參數(shù)為10 Hz單點(diǎn)檢波器，采樣間隔1 ms,采樣長度1 s,寬頻帶接收。

采集到的單炮品質(zhì)較好，初至波能量強(qiáng)、起跳干脆，易于拾取，總體記錄信噪比較高(圖1)，為獲得高質(zhì)量的地震剖面奠定了基礎(chǔ)。

圖1 原始單炮記錄

4 地震資料處理

從采集單炮(圖1)可以看出，該區(qū)面波、折射波發(fā)育，機(jī)械干擾嚴(yán)重，且目的層淺，塌陷范圍小，因此在處理方面如何壓制噪音，提高信噪比，保證淺層覆蓋次數(shù)和成像精度是關(guān)鍵。

4.1 復(fù)合多域保真去噪技術(shù)

通過大量試驗(yàn)，針對不同噪音類型，采用保真保幅去噪技術(shù)，分別在時(shí)間域、頻率域、FX域分類分步壓制噪音，逐步提高資料信噪比。圖2為復(fù)合多域保真去噪前后剖面對比，去噪后反射波連續(xù)性增強(qiáng)，信噪比得到明顯提升。

圖2 去噪前后對比

4.2 精細(xì)速度分析與切除技術(shù)

速度分析是地震資料處理中非常重要的環(huán)節(jié)，首先利用DIX公式，從層析反演的速度-深度模型求取疊加速度，然后利用該速度作引導(dǎo)進(jìn)行速度譜解釋、拾取。速度拾取的過程中采用手動(dòng)拾取與常速掃描相結(jié)合的方式，確保速度拾取準(zhǔn)確。

由于塌陷深度較淺，切除對剖面成像影響較大。為了保護(hù)好淺層資料，在精確求取疊加速度的同時(shí)，采用了人工交互切除方法，并與動(dòng)校正拉伸切除進(jìn)行對比，保證了較高的淺層覆蓋次數(shù)和分辨率，盡可能提高了淺層的成像精度，為下一步塌陷區(qū)的分析打下了良好的基礎(chǔ)。

5 地震資料解釋

5.1 塌陷區(qū)精細(xì)地震解釋

針對塌陷目標(biāo)區(qū)域開展了1 m×1 m的精細(xì)網(wǎng)格地震解釋工作，過塌陷區(qū)典型地震剖面解釋如圖3和圖4所示，本區(qū)第四系下普遍發(fā)育蝕變閃長巖地層，通過綜合地質(zhì)分析認(rèn)為160 ms位置的強(qiáng)反射(綠色線)為第四系砂質(zhì)黏土與蝕變閃長巖的接觸界面，可以看出基底頂面在塌陷位置具有明顯的同相軸下拉、扭曲和錯(cuò)段的特征，并且在塌陷位置發(fā)育兩期逆斷層。

圖3 東西向地震解釋剖面

圖4 南北向地震解釋剖面

對第四系底界面進(jìn)行變速成圖，形成了底面埋深圖，如圖5所示。由圖5可以看出，塌陷區(qū)存在明顯的塌陷，且正好處于斷層發(fā)育區(qū)，形成了背斜背景下的斷塊區(qū)。

圖5 第四系底面埋深

為了進(jìn)一步了解垂向上其它深度是否存在塌陷，在第四系底面之下又解釋了四套層位:h1(黃色線)、h2(天藍(lán)色線)、h3(紅色線)和h4(藍(lán)色線)，并分別繪制了平面埋深圖(圖6)，在塌陷位置沒有發(fā)現(xiàn)異常特征。因此，預(yù)測塌陷的底部應(yīng)該是位于第四系底部風(fēng)化殼附近，且并沒有繼續(xù)向下延伸的趨勢存在。

圖6 不同層位的埋深

5.2 基于層析反演的塌陷范圍預(yù)測

層析反演是一種非線性模型反演技術(shù)，它是利用地震單炮記錄初至波射線的走時(shí)和路徑反演介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)的一種高精度反演方法。該方法目前主要用于反演地下介質(zhì)的速度分布和速度分界面的形態(tài)，被廣泛應(yīng)用于能源勘探、工程勘查與檢測、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等領(lǐng)域[7]。

從不同深度層析反演速度剖面中可以看出，在地表塌陷位置對應(yīng)處速度存在明顯下陷特征(圖7)，且此特征在不同深度平面大小存在一定差異，整體呈現(xiàn)從上到下逐漸減小的空間展布特征。

圖7 不同深度塌陷展布范圍在層析反演剖面中的顯示

本次研究以速度下陷特征作為主要地球物理依據(jù)，對不同深度的塌陷展布范圍進(jìn)行了解釋，并以包絡(luò)面作為最終的預(yù)測塌陷范圍，面積約1 530 m2，其中南北長約63 m，東西長20～38 m，埋深70～90 m，如圖8所示。

圖8 預(yù)測塌陷范圍平面

6 塌陷成因分析

該區(qū)域無灰?guī)r發(fā)育，因此灰?guī)r溶洞造成塌陷可以排除。本區(qū)近年來因天氣干旱和工農(nóng)業(yè)大量提取地下水，使地下水位大幅度下降。從地震資料解釋結(jié)果來看，塌陷區(qū)第四系厚約76 m，成巖較差，其下部蝕變閃長巖受風(fēng)化剝蝕及地下水淋濾作用，巖石松軟破碎，而塌陷區(qū)恰好位于逆斷層發(fā)育區(qū)，斷層活動(dòng)使斷點(diǎn)上方地層更加疏松，地層空隙進(jìn)一步擴(kuò)大，加之地下水位區(qū)域性變化，地層失水，抗壓性變差，最終造成地面塌陷。

7 結(jié) 論

1)采用小面元、高覆蓋的三維地震方法有利于塌陷區(qū)的空間成像，針對塌陷深度淺、范圍小的特征，提高淺層覆蓋次數(shù)和成像精度是數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵；

2)塌陷區(qū)一般具有速度下陷特征，利用層析反演方法來尋找低速區(qū)，是預(yù)測塌陷空間分布的有效方法；

3)本區(qū)地表塌陷處第四系底面發(fā)生了明顯錯(cuò)動(dòng)，斷層的發(fā)育加劇了地層的疏松進(jìn)程，是地表發(fā)生塌陷的重要原因之一；

4)由于斷層為早期形成，并已發(fā)生塌陷，地下大的孔洞遭遇填充，因此再次發(fā)生塌陷的可能性較小。