基于淺層多次疊加反射地震勘探技術(shù)的近地表地層結(jié)構(gòu)劃分

李新斌，田 輝，趙 浩，丁廉超，高 奇，朱一龍

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100)

人類社會的發(fā)展對近地表地下空間的建設(shè)利用需求與日俱增，探索綠色高效、普適精確的近地表探測技術(shù)的應(yīng)用效果，探明近地表地層結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造分布，對人類生產(chǎn)生活具有重要意義。淺層地震勘探是根據(jù)淺層地下巖土體的彈性和密度差異，利用人工激發(fā)地震波在地下介質(zhì)中的傳播規(guī)律，在地表一定位置觀測振動信號的頻率、相位和振幅等特征參數(shù)，分析計算地震波在地層中的傳播速度、旅行時間、地層深度及傾斜角度等數(shù)據(jù)，來研究地下巖土體性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法[1-2]。具有勘探精度高、施工周期短、技術(shù)體系成熟和成果資料直觀等諸多優(yōu)點，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于能源資源勘探、區(qū)域地質(zhì)研究和工程地質(zhì)勘察等諸領(lǐng)域[3-5]，是開展近地表地下空間結(jié)構(gòu)探測的有效手段。

近年來，淺層地震勘探被廣泛運(yùn)用于近地表精細(xì)勘探的各個領(lǐng)域：繆衛(wèi)東等利用淺層地震方法研究基巖面展布特征[6]；劉保金等利用淺層地震勘探技術(shù)查明了銀川地區(qū)第四紀(jì)沉積區(qū)隱伏斷層結(jié)構(gòu)[7]；張鵬等采用淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面方法系統(tǒng)研究了蘇錫常斷裂的第四紀(jì)活動性[8]；陳潔等通過海底地震勘探技術(shù)，獲取了南沙海域海底精細(xì)的淺層第四系地層結(jié)構(gòu)[9]；徐建宇等、李倩等和李顏貴等將淺層地震勘探技術(shù)用于淺層斷裂結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)查中，均獲得了可靠的探測成果[10-12]。本文通過在第四紀(jì)沉積區(qū)開展多次覆蓋淺層地震勘探工作，有效劃分了第四系松散堆積層內(nèi)部的地層結(jié)構(gòu)，成果揭露了隱伏斷裂的發(fā)育特征，為同類地區(qū)開展淺層地震勘探工作提供了參考。

1 地質(zhì)與地球物理特征

1.1 地質(zhì)概況

研究區(qū)處于漢中盆地西段勉縣境內(nèi)，漢中盆地是一個新生代斷陷盆地，盆地形成受南北兩側(cè)近東西向山前斷裂控制，基底地層主要由震旦系燈影組白云巖、砂巖、粉砂巖等組成，蓋層主要為第四紀(jì)松散堆積物，以沖積、沖湖積成因類型為主，堆積厚度受區(qū)域構(gòu)造控制，勉縣地區(qū)總體堆積厚度表現(xiàn)為，自西向東增厚，南北薄中間厚的特征。

表1 第四系地層物性參數(shù)統(tǒng)計表

1.2 地層地球物理特征

研究區(qū)第四紀(jì)地層由老至新分別為：

研究區(qū)第四系地層存在砂層—卵礫石層—砂層互層結(jié)構(gòu)，根據(jù)工作區(qū)密度測井成果統(tǒng)計得到各地層物性參數(shù)(表1)，由表可見，粘土層、砂層和卵礫石層之間存在比較明顯的密度差異，這為在本區(qū)開展淺層地震多次覆蓋反射波勘探工作提供了較好的地球物理前提。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 工作方法與數(shù)據(jù)質(zhì)量

為全局控制漢中盆地西段勉縣地區(qū)的構(gòu)造格架，根據(jù)勘探目標(biāo)，本次淺層地震多次覆蓋反射波勘探共布設(shè)4條測線(圖1)。采用高密度炮點，高密度接收點，單點高精度檢波器接收。觀測系統(tǒng)采用48道接收，道間距5 m，炮點距5 m，10 m偏移距，24次覆蓋的觀測系統(tǒng)。使用深圳面元智能科技有限公司(DTCC)生產(chǎn)的單分量節(jié)點地震儀SmartSolo IGU-16HR完成數(shù)據(jù)采集，在開工之前，進(jìn)行了節(jié)點地震儀一致性試驗、震源激發(fā)方式選擇試驗、干擾波調(diào)查試驗、偏移距選擇試驗和采樣率選擇試驗等試驗工作，根據(jù)試驗結(jié)果最終確定采用激發(fā)能量大的寬頻沖擊震源車進(jìn)行激發(fā)，采樣長度選取2 k，采樣率選取0.5 ms，前放增益設(shè)置為12 dB。

圖1 淺層地震勘探測線布設(shè)位置圖

圖2 水平時間迭加剖面處理流程圖

在數(shù)據(jù)采集過程中，各項工作均嚴(yán)格按照《陸上二維地震勘探資料采集技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，并按規(guī)范對采集的所有記錄進(jìn)行評級，結(jié)果如下：本次地震勘探共獲得1 855炮，其中甲級品記錄1 180個，乙級品記錄675個，廢品記錄0個，符合地震勘探規(guī)范關(guān)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求。

2.2 地震數(shù)據(jù)資料處理

每日數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，及時使用SoloLite軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)切割，生成標(biāo)準(zhǔn)的SEGY格式地震數(shù)據(jù)文件。在數(shù)據(jù)處理時，由于本次工作地震剖面都位于漢江河漫灘、階地位置，地表地層為第四系疏松的砂層、砂礫層，疏松的砂層、砂礫層對地震波高頻成分的吸收和散射效應(yīng)，使得原始地震記錄上地層反射能量弱，面波、直達(dá)波、折射波、線性干擾波發(fā)育，工區(qū)處在人文活動強(qiáng)烈區(qū)，人、車等各類隨機(jī)干擾波較多，除了野外采取抗干擾探測手段外，在室內(nèi)數(shù)據(jù)處理中盡可能恢復(fù)地震記錄中的高頻有效反射波信息，提高反射波分辨率。處理中通過使用帶通濾波、二維濾波等去噪手段，對有效濾除面波、聲波和線型干擾波，提高資料的信噪比有明顯效果。本次地震水平時間迭加剖面的基本處理流程如圖2。

3 成果解釋與討論

3.1 綜合解釋依據(jù)

本次地震勘探工作的解釋工作采用《地震勘探資料解釋技術(shù)規(guī)程》(GB/T 33684-2017)中二維地震資料解釋依據(jù)進(jìn)行。在進(jìn)行水平迭加時間剖面地震波組的對比解釋時，首先將水平疊加剖面和偏移剖面相互參照進(jìn)行反射波組對比，識別出繞射波、斷面波、側(cè)面波、回旋波、多次波及其他各種性質(zhì)的地震波，識別不整合面、超覆點、尖滅點及異常體，再運(yùn)用波的動力學(xué)及運(yùn)動學(xué)特征，以目的層為重點，兼顧淺、中、深層標(biāo)準(zhǔn)層的對比解釋，全程把握偏移剖面地震反射層位的相位應(yīng)與水平疊加剖面一致的原則，結(jié)合工區(qū)測井資料所提取的地層密度參數(shù)進(jìn)行綜合解釋。

時間剖面對構(gòu)造形態(tài)的反映比較直觀，在進(jìn)行斷層解釋時，水平疊加剖面和偏移剖面上，追蹤符合斷層上下盤特點的斷點位置，并根據(jù)其相對位置判定斷層性質(zhì)。本次斷層解釋以第四系底界反射波組作為本次的反射標(biāo)準(zhǔn)層，該反射波組在剖面中共有的特征是震相突出，反射波能量相對較強(qiáng)．反射波組的對比遵循了“等厚”原則，即認(rèn)為在某段有限的沉積時間范圍內(nèi)，在縱向上地層的沉積是連續(xù)的，在橫向上同一地層的厚度變化不大。判斷斷層的依據(jù)是：

(1)反射波同相軸明顯中斷與錯位；

(2)反射波同相軸數(shù)目明顯增減或消失；

(3)反射波同相軸出現(xiàn)強(qiáng)相位反轉(zhuǎn)以及上下波組相互依賴；

(4)反射波同相軸產(chǎn)狀和反射能量突然變化；

(5)斷面反射波、繞射波等異常波出現(xiàn)。

3.2 水平迭加時間剖面解釋推斷

本次淺層反射地震多次迭加法測量數(shù)據(jù)資料經(jīng)過處理，得到QZL1、QZL2、QZL3和QZL4 4條水平迭加時間剖面(圖3)。在確定有效波與主要地質(zhì)層位之間的對應(yīng)關(guān)系后，以波的強(qiáng)相位對比為主，同時結(jié)合有效波的波形特征、能量特征、波組特征以及地質(zhì)資料，對各剖面反射波進(jìn)行追蹤對比分析。

圖3 水平迭加時間剖面圖

由圖3可見，水平迭加時間剖面中具有3條形態(tài)連續(xù)、能量穩(wěn)定同相軸，根據(jù)地震水平疊加時間剖面的波組特征和速度分析結(jié)果，結(jié)合勘探線附近的地質(zhì)資料對疊加剖面上的反射波進(jìn)行了詳細(xì)認(rèn)真的標(biāo)定和對比追蹤，確定有效反射波與主要地質(zhì)層位之間的對應(yīng)關(guān)系，推斷T1為第四系Q4底界面，T2為第四系Q1+2底界面，T2-1標(biāo)志反射層。

斷裂構(gòu)造在時間剖面上具有直觀的反映，如圖3所示，QZL3和QZL4剖面上明顯出現(xiàn)3處同相軸錯亂、不連續(xù)的現(xiàn)象，這里推斷為斷層，根據(jù)同同相軸錯斷兩側(cè)相對位置關(guān)系，解釋為正斷層，分別命名為TF3-1，TF4-1，TF4-2。

3.3 地震地質(zhì)解釋成果

利用數(shù)據(jù)處理中的疊加速度譜，根據(jù)Dix公式將疊加速度轉(zhuǎn)換成平均速度來建立時深轉(zhuǎn)換模型，結(jié)合工區(qū)的地質(zhì)和地震條件，求取較準(zhǔn)確的時深轉(zhuǎn)換速度，完成數(shù)據(jù)體從時間域到深度域的轉(zhuǎn)換。在作圖時，將時間剖面的基準(zhǔn)線標(biāo)在含地形線的剖面上，在時間剖面上每1 m讀一個t0時間值，利用時間轉(zhuǎn)換計算剖面上各點深度值，將地質(zhì)構(gòu)造同樣進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換，并投影到相應(yīng)樁號位置上，從而得到地震地質(zhì)剖面圖(圖4)。

圖4 地震地質(zhì)解釋剖面圖

如圖4所示，本次淺層地震多次覆蓋反射波勘探在QZL1與QZL2測線區(qū)域解釋層位T1、T2；在QZL3與QZL4測線區(qū)域解釋層位T1、T2-1，解釋層位較淺，各層之間深度相差較近，利用轉(zhuǎn)換后的平均速度來進(jìn)行時深轉(zhuǎn)換。T1層位對應(yīng)的平均速度約為1 800～2 000 m/s；T2層位對應(yīng)的平均速度約為2 100～2 300 m/s；T2-1層位對應(yīng)的平均速度約為2 000～2 200 m/s。

T1層位在4條測線上的大部分測線段反映較為清晰，整體表現(xiàn)為近似水平，局部有起伏及同相軸的錯斷、頻散、不連續(xù)性，在QZL1測線段相對地表埋深較大，約60～80 m，在QZL4測線段起伏較大，發(fā)育有兩條正斷層，推測其為第四系Q4底界面；T2層位與T1層位整體起伏情況相似，在QZL4線起伏變化較大，推測其為第四系Q1+2底界面；T2-1層位結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，推測其為第四系覆蓋層Q1+2中的某一標(biāo)志反射層，具體解釋還需進(jìn)一步鉆探驗證。

結(jié)合地震地質(zhì)解釋剖面和地質(zhì)資料，在勘探測線段范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)疑似斷層3個，分別編號TF3-1、TF3-2、TF4-1，這三個斷點分別位于QZL3和QZL4測線，皆為正斷層。在斷層附近，反射波同相軸發(fā)生錯段，形狀突變且反射零亂。斷層要素信息統(tǒng)計情況見表2。

表2 斷層要素信息統(tǒng)計表

4 結(jié)語

通過在第四系覆蓋區(qū)開展淺層地震多次覆蓋反射波勘探工作，獲取了勉縣地區(qū)的地震時間剖面，分析總結(jié)了研究區(qū)第四系地層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和隱伏斷裂構(gòu)造特征。

(1)淺層地震多次覆蓋反射波勘探劃分了T1、T2及T2-1波組界面，分別解釋為第四系Q4底界面、第四系Q1+2底界面及標(biāo)志反射層。

(2)共發(fā)現(xiàn)斷層三處，QZL3測線樁號3356-3362處TF3-1為正斷層，傾向SE，傾角約81°；QZL4測線樁號4449-4454處TF4-1為正斷層，傾向SE，傾角約78°；QZL4測線樁號4700-4714處TF4-2為正斷層，傾向SE，傾角約71°。

(3)第四系松散堆積地層組分的顆粒大小、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、密實程度和含水率綜合控制著地層波阻抗構(gòu)差異，為地震勘探工作提供了物性前提。淺層地震多次覆蓋反射波勘探工作具有施工高效、成果直觀精確的特點，是研究第四系地層結(jié)構(gòu)的有效方法。