橫波地震在關(guān)中活斷層勘探上斷點(diǎn)的先導(dǎo)性研究

朱建剛，智 敏

(中煤炭科工集團(tuán) 西安研究院有限公司,西安 710077)

0 引言

地震勘探廣泛應(yīng)用于尋找石油、天然氣、煤炭等重要資源普查和開采，一般目的層較深[1]。城市活斷層勘探主要為查明活動(dòng)期較近的地質(zhì)構(gòu)造的位置、走向和規(guī)模(主要在第四系覆蓋層中的構(gòu)造)等現(xiàn)狀，同時(shí)關(guān)注斷裂的活動(dòng)性，淺中深資料都需兼顧。傳統(tǒng)地震勘探主要是縱波波源激發(fā)，根據(jù)縱波的特性知道，對(duì)于淺層和較小構(gòu)造(100 m以內(nèi)、斷層小于5 m)的識(shí)別精度較差。

現(xiàn)階段我國(guó)處于高度發(fā)展時(shí)期，城市的擴(kuò)張，鐵路公路建設(shè)的高速增加，為避開地質(zhì)構(gòu)造影響，要求對(duì)淺層的地質(zhì)構(gòu)造、隱伏斷裂勘察更為精確，因此尋找合適的勘探方法成為首要。而橫波勘探在我國(guó)還處于初級(jí)發(fā)展階段，應(yīng)用較少[2]。

橫波具有速度低，波長(zhǎng)短的特點(diǎn)，通?？v波主頻是橫波的2倍，而速度能達(dá)到3倍(軟底層)甚至更高[3]。由于其特殊的傳播特性，受地下水影響較小，在潛水不好情況下同樣有利。根據(jù)其特點(diǎn)，橫波勘探對(duì)100 m以內(nèi)淺層、較小地質(zhì)構(gòu)造具有很大優(yōu)勢(shì)[4]。

1 橫波勘探方法

橫波由剪切力產(chǎn)生，在剪切模量為零的介質(zhì)(氣體、液體)中不能傳播,因此橫波只能在固體介質(zhì)中傳播[5]。

根據(jù)縱橫波的介質(zhì)震動(dòng)特性和相關(guān)理論，縱橫波在介質(zhì)中的傳播速度表示為：

(1)

(2)

其中:VP、VS為縱波、橫波速度；μ為介質(zhì)的剪切模量；E為介質(zhì)的彈性模量；ν為泊松比；ρ為密度，根據(jù)上述公式可得式(3)。

(3)

一般介質(zhì)泊松比值范圍為0～0.5,因此

(4)

2 實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域選取

實(shí)驗(yàn)區(qū)域選取陜西關(guān)中盆地中部，區(qū)境內(nèi)的地貌主要有平原、黃土臺(tái)塬兩種基本形態(tài)。受秦嶺、渭河走向的控制，境內(nèi)各種地貌均作東西向延伸，南北向交替，呈明顯條帶狀分布。區(qū)域上緊鄰我國(guó)南北地震帶東側(cè)的渭河斷陷地震構(gòu)造帶內(nèi)，北側(cè)為北山山地，南側(cè)為秦嶺地塊，勘探程度較高，有很多較小的隱伏構(gòu)造。

區(qū)域地層主要由第四系(Q)松散沉積地層、第三系(R)沉積巖、太古界(Ar)變質(zhì)巖組成。第四系(Q)總厚度約840 m，全新世(Q4)地層厚度約20 m，更新世(Q3)地層厚度約20 m，往下是Q2和Q1。

地形起伏不大，淺層地層主要為風(fēng)積、沖積、洪積形成，推測(cè)應(yīng)為石川河一級(jí)階地。地層近水平，沉積韻律清晰。一級(jí)階地表層黃土一般為黃土狀土，較密實(shí)，具輕微濕陷性或不具濕陷性，地下水位埋深在2 m～5 m之間，水位淺變化不大，低速帶不發(fā)育，對(duì)地震波激發(fā)與接收均有利，因此，表、淺層地震地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

好的數(shù)據(jù)需要合理的采集技術(shù)和參數(shù)的支持，本次數(shù)據(jù)采集選用Arise儀器，配備200道60 Hz縱波檢波器，200道38 Hz橫波檢波器，測(cè)線長(zhǎng)度為186 m，18磅大錘同點(diǎn)多次垂直疊加(同點(diǎn)多次激發(fā)，壓制噪音，提高信噪比)，保證能量均衡穩(wěn)定，以已知斷點(diǎn)為中心鋪設(shè)，采用不對(duì)稱中點(diǎn)放炮，全排列接收，覆蓋次數(shù)24次。

通過對(duì)比縱橫波5次、8次垂直激發(fā)單炮發(fā)現(xiàn)，反射目的層相較差別不大，都能滿足最終需求，并且過多的垂直疊加次數(shù)并沒有提高資料的信噪比，有時(shí)反而起到反作用，因此根據(jù)生產(chǎn)需求，最終選定大錘垂直激發(fā)5次(圖1、圖2)。

表1 縱、橫波采集參數(shù)表

圖1 縱波大錘激發(fā)次數(shù)單炮記錄對(duì)比

圖2 橫波大錘正反極性激發(fā)次數(shù)單炮記錄對(duì)比

2.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是針對(duì)本區(qū)地質(zhì)任務(wù)和地質(zhì)特點(diǎn)，提出處理目標(biāo)以及要求。處理流程主要包括：①原始數(shù)據(jù)解編;②定義觀測(cè)系統(tǒng);③道編輯(去掉壞道、反極性道);④靜校正;⑤振幅恢復(fù) ;⑥疊前資料去噪 ;⑦地表一致性反褶積;⑧速度分析;⑨動(dòng)校、疊加、偏移等。為達(dá)到更好的處理效果，對(duì)原始資料分析，以便選擇合適的處理流程和參數(shù)。

在本區(qū)已進(jìn)行多次活斷層探測(cè)，綜合以往的處理解釋經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)本次原始資料進(jìn)一步改進(jìn)。縱波數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。橫波相較縱波，傳播方式不同，主流程如圖3所示。處理主要不同和難點(diǎn)：①橫波速度低，拾取速度主要在150 m/s～350 m/s之間，線性噪音影響較大，去噪是關(guān)鍵；②橫波靜校正初置波難以分辨清楚，本次地表起伏不大，由于橫波的產(chǎn)生是重錘側(cè)向擊打枕木產(chǎn)生，近道縱波、初至波等干擾較大，并且分不清楚。

圖3 縱波、橫波處理流程圖

根據(jù)難點(diǎn)提出合理的應(yīng)對(duì)方案：①去噪處理時(shí)，先對(duì)資料進(jìn)行原始速度分析，并拾取初始速度，利用拾取后的速度進(jìn)行速度域與頻率域多種方式濾波，依照先去強(qiáng)噪音，后去較弱干擾的宗旨進(jìn)行(圖4)；②針對(duì)近道初至波影響較大的情況，通過限制偏移距，只拾取穩(wěn)定的中偏移距初至波，對(duì)資料進(jìn)行靜校正。橫波做枕木左右激發(fā)，形成不同極性單炮記錄，可對(duì)不同極性結(jié)果對(duì)比，同時(shí)可以進(jìn)行雙極性耦合實(shí)驗(yàn)(圖5)，通過對(duì)比單炮分析，耦合單炮能夠有效地壓制部分隨機(jī)噪音，提高信噪比。

圖4 縱橫波去噪后對(duì)比

圖5 橫波正、反極性以及耦合單炮記錄對(duì)比

2.4 數(shù)據(jù)效果分析

野外選取實(shí)驗(yàn)線位置相同，只是進(jìn)行了縱波和橫波正反極性的錘擊實(shí)驗(yàn)，因此野外靜校正量一致，排除了靜校正干擾。橫波的正反極性處理也采取了相同參數(shù)，盡可能的排除人為干擾。對(duì)數(shù)據(jù)處理得出疊加剖面對(duì)比，并對(duì)實(shí)驗(yàn)線處斷點(diǎn)驗(yàn)證的探槽拍照(圖6)。

從對(duì)比圖7分析看出，縱波時(shí)間剖面同相軸連續(xù)性較好，沒有明顯的較小隱伏斷層出現(xiàn)，橫波剖面在CDP220左右的位置(CDP320-420由于枕木問題造成資料較差)，相對(duì)有較小的隱伏斷層，這與已知的地質(zhì)構(gòu)造符合(圖6顯示的斷距不足1 m正斷層)。因此證明橫波較縱波有更好的分辨率，能夠識(shí)別出較小的構(gòu)造。

圖6 測(cè)線附近實(shí)際探槽照片

圖7 縱橫波時(shí)間剖面對(duì)比

通過實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比分析橫波較縱波具有更好的分辨率，實(shí)驗(yàn)采集了正反極性的橫波數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)同一地點(diǎn)單炮進(jìn)行耦合分別疊加對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖8)，正反極性和耦合后的剖面都能識(shí)別出已知隱伏構(gòu)造，但耦合后的單炮資料(圖4)反射同相軸更好，并且在處理流程相同的情況下，耦合剖面的隱伏斷裂更清晰，都能滿足淺層小構(gòu)造的勘探需求。因此耦合后雙極性橫波單炮、疊加剖面信噪比更高，對(duì)構(gòu)造識(shí)別提供更有利證據(jù)。

圖8 橫波正、反極性以及耦合后時(shí)間剖面對(duì)比

3 結(jié)論與建議

在陜西關(guān)中的縱橫波實(shí)驗(yàn)收獲了一系列高質(zhì)量的單炮和剖面，有利的證明了以下幾點(diǎn)：

1)由于上斷點(diǎn)埋深較淺，縱波速度快，無法準(zhǔn)確識(shí)別，橫波對(duì)上斷點(diǎn)識(shí)別更具優(yōu)勢(shì)。

2)橫波勘探時(shí)，雙向激發(fā)優(yōu)于單向激發(fā)，雙向激發(fā)耦合后會(huì)去掉一些不規(guī)則干擾，提高信噪比，對(duì)小構(gòu)造(斷層)、隱伏斷裂的識(shí)別更好。

3)橫波勘探時(shí)也有一些不足和需要克服的地方，如人工錘擊能量弱、深度較淺，只有60 m左右，不利于斷層的解釋，可以考慮增加錘擊能量或其他方式產(chǎn)生橫波震源，將探測(cè)深度擴(kuò)展至200 m左右為宜。

4)橫波勘探也有一定的局限性，首先為震源產(chǎn)生比較難，其次速度低，淺層噪音影響較大，因此疊前資料的處理需更精細(xì)。

5)建議活斷層勘探采用分兩步走的辦法，先采用5 m左右道距縱波勘探方法定位解釋斷層，再采用1 m道距橫波勘探方法準(zhǔn)確鎖定活斷層上斷點(diǎn)位置及埋深，以便減少鉆孔數(shù)量，降低勘探成本。