淺層人工地震精確探測隱伏斷層方法研究

曾維望,王 飛

(山西金潮嘉華科技有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

目標區活動斷層探察和活動性鑒定是區域性地震安全評價的重要基礎工作[1],地球物理勘探是地下構造勘查與活動性鑒定的手段之一,淺層人工地震[2]、高密度電法和電磁法[3]、瑞雷波[4]等單一方法以及綜合物探方法[5-6]等在諸多區域性地震安全評價工作中發揮重要作用。淺層人工地震勘探可以查明新近系與第四系地層以及斷層等構造的發育位置、性質、產狀、規模和上斷點埋深等特征,是所有地球物理勘探方法中分辨率高、探測效果和精度較好的手段之一[7-8]。淺層人工地震勘探與面向油氣、煤炭等資源的反射地震勘探,均需要對斷層的位置、規模、產狀、活動性等進行研究,但是服務于地震安全性評價的淺層人工地震更關注斷層的淺部信息[9-11]。因此,淺層人工地震更注重觀測系統參數的選擇,要避免淺部地層有效疊加次數過低,導致上斷點不清等問題[12]。

本文以山西長治市某區區域性地震安全評價項目實例為基礎,結合區域地質構造背景,通過野外試驗選取合適的觀測系統,探討提高第四系地層層位分辨能力的野外數據觀測方法。在此基礎上,采用針對性數據處理方法,獲得測線上地層高精度內部反射結構,精確解釋不同沉積地層的界面埋深,測線上主要隱伏斷層的位置、性質、產狀及上斷點埋深,取得較好的探測效果。

1 目標區地質構造概況

目標區地處太行山南段西側長治市城區,位于長治市南部郝家莊以南、蘇店鎮以北,長治斷陷堆積盆地內部,地形高差變化小,地表平坦(見圖1)。目標區及其周邊主要分布三條隱伏正斷層,分別為宋家莊斷層(F1)、安城斷層(F2)以及蘇店斷層(F4);三條斷裂走向均為NE向,呈平行展布;宋家莊斷層和安城斷層形成地壘構造(見圖1)。斷層的主要活動時期為燕山晚期,第四紀以來的活動性趨于穩定。

目標區內新近系與第四系厚度為80～160 m,新近系與第四系未固結松散層與其下伏二疊系基巖頂呈角度不整合接觸,因速度、密度差異大,存在良好的波阻抗界面。二疊系山西組與太原組賦存穩定的可采煤層,即3號和15號煤層。3號和15號煤層與其頂、底板圍巖的速度、密度差異大,存在良好的波阻抗界面,形成能量弱-中等、波形特征明顯、連續性好、易識別的反射波。因此,淺層人工地震觀測具有較好的物性基礎。

2 淺層人工地震觀測

按照淺層人工地震測線盡可能垂直斷層構造走向、盡可能跨越目標斷層的原則,本次淺層人工地震部署三條測線(見圖1),均沿公路布設。為了控制宋家莊斷層和安城斷層,布設DZ-1和DZ-3兩條線,長度分別為1.9 km和2.5 km;為了控制蘇店斷層,布設DZ-2線,長度2.1 km。

針對波場特征、觀測系統和激發接收參數進行現場試驗。在此基礎上,對試驗物理點數據進行定性、定量對比分析,確定本次淺層人工地震的主要采集參數:28噸可控震源激發,震動次數2次、出力75%、掃頻8～110 Hz、掃描長度16 s;采用3 m道間距、52次覆蓋次數、中間激發208道雙邊接收、60 Hz檢波器接收,觀測方法和采集參數的合理選擇,取得整體信噪比較高的原始資料。分析獲得的原始資料得出:本區的主要干擾波為面波、聲波及隨機干擾等,因在城區施工,背景噪音干擾明顯;通過頻率掃描確定目的層有效反射波的頻率分布范圍在20～100 Hz,優勢頻帶寬度在30～80 Hz,反射波主頻55 Hz左右(見圖2)。

圖2 原始單炮及其分頻掃描記錄Fig.2 Original single-shot and its frequency scanning records

關鍵的觀測是采用小道距,小道距觀測獲得的單炮記錄上可以看到至少兩組不同速度的反射波。其中,一組為新近系與第四系、新近系與下伏二疊系基巖頂的反射,速度較低,為1 400～1 600 m/s;另一組為二疊系內煤層底界面的反射,主頻較高,速度較高,達到3 000～3 500 m/s。

3 高精度數據處理

對原始單炮進行信噪比、能量、頻率、靜校正等分析,綜合應用近地表層析靜校正、疊前組合去噪、地表一致性振幅補償、地表一致性反褶積、精準的速度分析、疊加及疊后偏移成像等高精度數據處理技術,獲得高精度成像剖面。

本次淺層人工地震數據處理采用非線性分頻自適應噪音檢測及壓制技術,對不同頻率、不同種類的噪音進行處理。在不同的頻段內,以加權中值為參量,自動識別面波、聲波、脈沖、野值等不同噪聲類型,根據噪聲與信號的數值關系,計算加權曲線,對噪聲進行衰減,并重構地震記錄。從處理后的單炮記錄看出,信號畸變很小,各種強能量干擾得到壓制,且不損失淺層和深層的有效反射波信息(見圖3)。

圖3 疊前去噪前后的原始單炮對比Fig.3 Comparison of original single-shot records before and after pre-stack noise attenuation

由于激發和接收在空間方向與環境的不斷變化,單炮記錄在空間方向上能量、頻率不均衡。數據處理中以先去噪、后補償的振幅補償原則,采用地表一致性振幅補償技術解決炮間和道間能量不一致問題;采用地表一致性反褶積技術進行子波統計、子波整形、相位校正與拓寬頻帶提高分辨率(見圖4)。

圖4 反褶積前后的單炮及頻譜對比Fig.4 Comparison of single-shot records and frequency spectra before and after deconvolution

在采用常速掃描法和調查速度變化規律的基礎上,針對目的層有效信號的優勢頻帶進行速度分析。經多次迭代和加密(30 m一個點)速度控制點分析,可有效提高疊加速度的精度,為后續地層標定和構造解釋奠定可靠的數據基礎。

4 地質精細解釋

從獲得的時間剖面上看到,基本以200 ms為界,上、下時間存在兩種明顯不同的反射波組特征(見圖5、圖6)。上部的反射波組同相軸基本為水平平行結構,連續性好,主頻較高,能量較弱;下部的反射波組形態起伏變化明顯,呈亞平行結構,連續性差,主頻較低,能量較強。此外,反射波組同相軸還出現明顯中斷與位錯、強弱相位的反轉和產狀變化等特征。

圖5 DZ-1測線地震整體時間剖面和虛線框段放大時間剖面Fig.5 Overall time profile and enlarged time profile of the selected section within the dashed box of seismic line DZ-1

圖6 DZ-3測線地震整體時間剖面和虛線框段放大時間剖面Fig.6 Overall time profile and enlarged time profile of the selected section within the dashed box of seismic line DZ-3.

根據DZ-1線附近的煤礦鉆孔資料,新近系底埋深為134.05～153.20 m,變化很小;二疊系山西組3號煤層埋深為187.80～257.10 m,太原組15號煤層埋深為300.50～373.10 m,同一層埋深差異達60 m以上。說明新近系地層沉積前,地表的風化剝蝕強烈,古生界殘留厚度存在變化。

根據獲得的時間剖面,結合剖面附近煤礦鉆孔資料綜合分析得出:本區發育四個標準地震反射波TQ、TN、T3和T15。TQ為第四系(Q)與新近系(N)分界面的反射波;TN對應新近系與古生界之間的角度不整合面,即新近系底面的反射波;T3為古生界二疊系內部山西組3號煤層底的反射波;T15為古生界二疊系內部太原組15號煤層底的反射波。通過對TQ、TN、T3和T15四個標準地震反射波的標定、追蹤和對比,完成地震剖面解釋,實現對目的層和隱伏斷層的研究。

根據斷點組合原則,把時間剖面上斷點性質相同、落差相近的相鄰斷點,按照區域構造規律組合起來組成同一條斷層。將DZ-1測線上的斷點F2和DZ-3測線上斷點F2進行組合,認為其為安城正斷層。該斷層落差約30 m,上斷點埋深為135～170 m,僅錯斷新近系、二疊系地層及深部地層,其上斷點未延伸至第四系。宋家莊斷層由DZ-3測線控制,DZ-1測線未發現,該斷層落差約20 m,上斷點埋深約150 m,僅錯斷新近系、二疊系地層及深部地層,其上斷點未延伸至第四系。

5 結論與討論

(1) 本次淺層人工地震采用小道距、高覆蓋次數觀測參數,應用非線性分頻自適應噪音檢測及壓制技術等處理手段,結合已有資質資料進行綜合分析。查明新近系與第四系覆蓋層厚度,得到測區中安城斷層和宋家莊斷層的特征,明確兩個斷層均為燕山期活動-更新世活動斷層,非全新世斷層,可不考慮工程抗斷問題,為后續區域性地震安全評價工作提供可靠的地球物理依據。

(2) 淺層人工地震勘探是區域性地震安全評價中目標區主要斷層勘查與活動性鑒定有效的手段,尤其對精確探測隱伏斷層及查明隱伏覆蓋層厚度效果最佳。但需要合理選擇和優化觀測系統、采集參數,針對性地進行資料處理、綜合分析已知地質資料及選取有效的方法,方可確保探測效果。