淺層地震勘探反射波法在巖溶塌陷勘察中的應(yīng)用

耿祥峰(1.山東省地礦局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

國內(nèi)外探測巖溶塌陷常用的地球物理方法包括：常規(guī)電法勘探、地質(zhì)雷達法、重力測量方法、地震勘探方法等。高密度電法勘探是目前應(yīng)用效果最好的電阻率法，具有較高的分辨能力。地質(zhì)雷達具有分辨率高、施工快速方便以及適應(yīng)能較強等特點，在地質(zhì)地球物理條件適宜的情況下，成為巖溶塌陷探測的常規(guī)手段之一。重力勘探方法最初應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、金屬礦和非金屬礦勘探，隨著微伽級高精度重力儀的誕生，重力測量精度大幅提高，其分辨能力和對微弱異常的識別能力大大提高，已經(jīng)成功應(yīng)用于溶洞、地下空洞調(diào)查。瞬變電磁法、電磁波CT、多道瞬態(tài)瑞雷波技術(shù)以及可控源音頻大地電磁法等，在巖溶塌陷勘察中得到了良好的應(yīng)用效果。

反射地震勘探技術(shù)是依據(jù)地下介質(zhì)在物性差異界面上地震波的動力學(xué)以及運動學(xué)特征，探測地層或者基巖的埋深及其速度結(jié)構(gòu)，具有分辨率高、探測結(jié)果可靠等特點，在巖溶塌陷勘察中具有良好的應(yīng)用前景。本文選擇淺層地震勘探反射波法對溶塌陷區(qū)進行精細探測，取得良好的應(yīng)用效果。

1 淺層地震勘探反射波法時間剖面中巖溶塌陷的識別

巖溶發(fā)育首先應(yīng)具有可溶性巖層，包括碳酸鹽類巖石(如白云巖、石灰?guī)r)、硫酸鹽類巖石(如石膏)以及鹵素類巖石(如巖鹽)等，其次還應(yīng)具備溶解力和足夠流量的水，同時還要有地表水以及地下水的運移通道。巖溶發(fā)育區(qū)第四系地層、基巖和溶洞、裂隙以及充填黏土、水等介質(zhì)的溶洞、裂隙之間，其密度和地震波傳播速度具有明顯差異，形成多個波阻抗界面，地震波通過時會形成不同特征的反射波信號。其異常特征如下：

(1)反射波出現(xiàn)半波損失，地震波相位反轉(zhuǎn)。

式中：ρ1、V1分別為上地層的密度和地震波傳播速度；ρ2、V2分別為下地層的密度和地震波傳播速度；正常地層層序中，下伏巖層的密度和地震波傳播速度均大于上地層，此時反射系數(shù)為正值。當?shù)貙又写嬖趲r溶或者裂隙發(fā)育時，其密度以及地震波傳播速度低于圍巖，反射系數(shù)為負值，地震剖面上巖溶塌陷處地震波會出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)、相位不連續(xù)現(xiàn)象。

(2)反射波同相軸錯斷、反射凌亂或者出現(xiàn)空白反射。受重力作用的影響，地層中存在巖溶或者裂隙時，不完整巖層區(qū)域下沉，致使反射波同相軸出現(xiàn)錯斷現(xiàn)象，巖溶發(fā)育區(qū)域地層層序規(guī)律遭到破壞，出現(xiàn)雜亂無章的反射波。若存在一定規(guī)模的空洞，地震波經(jīng)過時會出現(xiàn)空白反射區(qū)域。

(3)振幅變化特征。地層中巖溶或者裂隙發(fā)育程度較低時，巖溶發(fā)育區(qū)域為黏性土、碎石等充填，地震波經(jīng)過時，能量衰減迅速，致使反射波能量變?nèi)?，表現(xiàn)為反射波振幅變小。地層中存在充填空氣的空洞時，其反射系數(shù)可視為-1，地震波經(jīng)過時，幾乎沒有透射波能量損失，相對于圍巖反射波特征，其反射能量加強，表現(xiàn)為反射波振幅變大。

(4)繞射波。地層錯動造成的棱角點、地層尖滅點、洞穴等，往往都能滿足繞射波的形成條件。繞射波時距曲線的極小值點位于繞射點的正上方，且動校正后繞射波時距曲線仍然是雙曲線。

(5)第四系地層與基巖分界面反射波同相軸特征。受地下水沖刷作用影響，溶塌陷區(qū)內(nèi)第四系地層中黏性土、碎石等會隨地下水運移，第四系地層底界面，反射波往往會出現(xiàn)空白反射或者弱反射現(xiàn)象。

2 不同地質(zhì)條件下巖溶塌陷區(qū)的淺層反射地震勘探

巖溶塌陷區(qū)溶洞或者裂隙的規(guī)模不大，為了提高分辨率和探測成果的可靠性，地震反射波勘探中一般選擇高頻檢波器，寬頻接收，采用小道間距和小炮間距。為了盡可能減少復(fù)雜地形的影響，多采用小排列接收。下面就巖溶塌陷區(qū)中地震反射波法勘察實例，討論地震反射波法在巖溶塌陷區(qū)的應(yīng)用效果。

2.1 基巖埋深淺情況下的巖溶塌陷區(qū)勘察

本節(jié)給出的是山東省濟南市巖溶塌陷區(qū)地震反射波法勘探實例，塌陷區(qū)上覆第四系地層，厚度10余米，下伏奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r，厚度數(shù)百米。這種地質(zhì)條件下開展淺層反射波地震勘探的難點是：第四系地層埋深淺，淺部的有效信號容易被震源附近強烈的干擾波覆蓋，很難區(qū)分基巖界面頂板埋深。針對此情形，采用2 m道間距，4 m偏移距的接收方式，16次水平覆蓋觀測系統(tǒng)[1]。

根據(jù)野外采集的數(shù)據(jù)，通過一系列數(shù)據(jù)處理流程，得到了反射波組清晰的時間剖面圖。巖溶塌陷區(qū)地震勘探結(jié)果如圖1所示，反射波組中可以劃分4個反射層位，分別標注T1～T4。

圖1 濟南市巖溶塌陷區(qū)地震反射波法勘探結(jié)果

可以看出T1～T4反射層位在68～95 m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯異常變化，表現(xiàn)在T1層位出現(xiàn)空白反射或者反射能量較弱，T2～T4層位出現(xiàn)相位反轉(zhuǎn)、同相軸錯斷以及反射凌亂等現(xiàn)象，T2反射層位能量減弱，T4反射層位能量增強，推斷解釋此范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，并在78 m處布置驗證鉆孔。反演計算78 m處，T1層位埋深約為12.7 m，T2層位埋深約為34.5 m，T3層位埋深約為46.8 m。

驗證孔揭示，第四系地層埋深12.5 m，34.5 m為條帶狀灰?guī)r和礫屑灰?guī)r分界面，46.5 m以下為中風(fēng)化灰?guī)r。其中17.2～18 m發(fā)育巖溶空洞，21～23 m、27～33.5 m廣泛發(fā)育蜂窩狀溶孔，部分鉆孔揭露結(jié)果如圖2所示。淺層地震勘探反射波法推測結(jié)果與鉆孔揭露結(jié)果吻合程度較好，淺層地震勘探反射波法在基巖埋深較淺情況下的巖溶勘察中具有良好的應(yīng)用效果。

圖2 濟南市巖溶塌陷區(qū)鉆探揭露結(jié)果

2.2 巖溶弱發(fā)育情況下的巖溶塌陷區(qū)勘察

本實例的工作區(qū)位于山東省濟寧市，工作區(qū)上覆第四系地層，厚度數(shù)十米，下伏奧陶系灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r以及泥質(zhì)灰?guī)r，厚度數(shù)百米，巖溶發(fā)育程度較弱。這種地質(zhì)條件下進行淺層地震反射波法勘探需要重點考慮橫向分辨能力和縱向分辨能力，以區(qū)分規(guī)模較小的溶洞和裂隙[2]。

橫向分辨能力取決于菲涅爾帶半徑R的大小，通常水平分辨能力為菲涅爾帶的兩倍，

式中：h為界面埋深；v為該界面以上的地層速度；f為地震子波的主頻。

縱向分辨力指的是在垂直方向上能夠分辨的巖性單元的最小厚度?？v向分辨能力可以用時間域分辨率或者厚度分辨率兩種方式表示。理論上講，當?shù)卣鹱硬榱阆辔蛔硬〞r，地震勘探剖面中時間分辨率TR和厚度分辨率HR表示為：

式中：v為該界面以上的地層速度；f為地震子波的主頻?？v向分辨力取決于激發(fā)地震子波頻率和傳播速度，頻率越高、速度越小，其縱向分辨能力越高。

針對該工作區(qū)，采用全排列接收方式，2 m道間距，18次水平覆蓋觀測系統(tǒng)。圖3所示為該巖溶塌陷區(qū)地震反射波法時間剖面圖。反射波組中可以劃分3個反射層位，分別標注T1～T3。時間剖面中可以看到，T1、T2在82～123 m范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯異常變化，表現(xiàn)為T1反射層位出現(xiàn)弱反射并相位反轉(zhuǎn)，T2反射層位出現(xiàn)錯動和相位變化等現(xiàn)象，而T3反射層位連續(xù)可追蹤。推斷解釋此范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，并在105 m處布置驗證鉆孔。反演計算105 m處，T1層位埋深約為36.0 m，T2層位埋深約為58.3 m，T3層位埋深約為73.1 m。

驗證孔揭露，第四系地層埋深36.1 m，58.2 m為條帶狀灰?guī)r和礫屑泥灰?guī)r分界面，72.5 m以下為中風(fēng)化灰?guī)r。其中42.7 m和59.1 m發(fā)育巖溶空洞，角礫狀泥灰?guī)r芯中廣泛發(fā)育溶腔、蜂窩狀溶孔。淺層地震勘探反射波法推測結(jié)果與鉆孔揭露結(jié)果吻合程度較高。

3 結(jié)語

文章通過淺層地震勘探反射波法在巖溶塌陷勘察中的應(yīng)用實例，給出了不同地質(zhì)條件下，淺層地震勘探反射波法在巖溶塌陷勘察中的應(yīng)用效果，分析認為淺層地震勘探反射波法在巖溶塌陷勘察中具有良好的應(yīng)用前景。另外巖溶塌陷區(qū)規(guī)模不一、發(fā)育程度不同，尤其是溶洞、溶孔以及裂隙規(guī)模較小，淺層地震勘探反射波法很難分辨。巖溶塌陷區(qū)地層傾角較大時，也會對淺層地震勘探反射波法勘探效果造成不良影響。