浅层人工地震精确探测隐伏断层方法研究

曾维望,王 飞

(山西金潮嘉华科技有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

目标区活动断层探察和活动性鉴定是区域性地震安全评价的重要基础工作[1],地球物理勘探是地下构造勘查与活动性鉴定的手段之一,浅层人工地震[2]、高密度电法和电磁法[3]、瑞雷波[4]等单一方法以及综合物探方法[5-6]等在诸多区域性地震安全评价工作中发挥重要作用。浅层人工地震勘探可以查明新近系与第四系地层以及断层等构造的发育位置、性质、产状、规模和上断点埋深等特征,是所有地球物理勘探方法中分辨率高、探测效果和精度较好的手段之一[7-8]。浅层人工地震勘探与面向油气、煤炭等资源的反射地震勘探,均需要对断层的位置、规模、产状、活动性等进行研究,但是服务于地震安全性评价的浅层人工地震更关注断层的浅部信息[9-11]。因此,浅层人工地震更注重观测系统参数的选择,要避免浅部地层有效叠加次数过低,导致上断点不清等问题[12]。

本文以山西长治市某区区域性地震安全评价项目实例为基础,结合区域地质构造背景,通过野外试验选取合适的观测系统,探讨提高第四系地层层位分辨能力的野外数据观测方法。在此基础上,采用针对性数据处理方法,获得测线上地层高精度内部反射结构,精确解释不同沉积地层的界面埋深,测线上主要隐伏断层的位置、性质、产状及上断点埋深,取得较好的探测效果。

1 目标区地质构造概况

目标区地处太行山南段西侧长治市城区,位于长治市南部郝家庄以南、苏店镇以北,长治断陷堆积盆地内部,地形高差变化小,地表平坦(见图1)。目标区及其周边主要分布三条隐伏正断层,分别为宋家庄断层(F1)、安城断层(F2)以及苏店断层(F4);三条断裂走向均为NE向,呈平行展布;宋家庄断层和安城断层形成地垒构造(见图1)。断层的主要活动时期为燕山晚期,第四纪以来的活动性趋于稳定。

目标区内新近系与第四系厚度为80～160 m,新近系与第四系未固结松散层与其下伏二叠系基岩顶呈角度不整合接触,因速度、密度差异大,存在良好的波阻抗界面。二叠系山西组与太原组赋存稳定的可采煤层,即3号和15号煤层。3号和15号煤层与其顶、底板围岩的速度、密度差异大,存在良好的波阻抗界面,形成能量弱-中等、波形特征明显、连续性好、易识别的反射波。因此,浅层人工地震观测具有较好的物性基础。

2 浅层人工地震观测

按照浅层人工地震测线尽可能垂直断层构造走向、尽可能跨越目标断层的原则,本次浅层人工地震部署三条测线(见图1),均沿公路布设。为了控制宋家庄断层和安城断层,布设DZ-1和DZ-3两条线,长度分别为1.9 km和2.5 km;为了控制苏店断层,布设DZ-2线,长度2.1 km。

针对波场特征、观测系统和激发接收参数进行现场试验。在此基础上,对试验物理点数据进行定性、定量对比分析,确定本次浅层人工地震的主要采集参数:28吨可控震源激发,震动次数2次、出力75%、扫频8～110 Hz、扫描长度16 s;采用3 m道间距、52次覆盖次数、中间激发208道双边接收、60 Hz检波器接收,观测方法和采集参数的合理选择,取得整体信噪比较高的原始资料。分析获得的原始资料得出:本区的主要干扰波为面波、声波及随机干扰等,因在城区施工,背景噪音干扰明显;通过频率扫描确定目的层有效反射波的频率分布范围在20～100 Hz,优势频带宽度在30～80 Hz,反射波主频55 Hz左右(见图2)。

图2 原始单炮及其分频扫描记录Fig.2 Original single-shot and its frequency scanning records

关键的观测是采用小道距,小道距观测获得的单炮记录上可以看到至少两组不同速度的反射波。其中,一组为新近系与第四系、新近系与下伏二叠系基岩顶的反射,速度较低,为1 400～1 600 m/s;另一组为二叠系内煤层底界面的反射,主频较高,速度较高,达到3 000～3 500 m/s。

3 高精度数据处理

对原始单炮进行信噪比、能量、频率、静校正等分析,综合应用近地表层析静校正、叠前组合去噪、地表一致性振幅补偿、地表一致性反褶积、精准的速度分析、叠加及叠后偏移成像等高精度数据处理技术,获得高精度成像剖面。

本次浅层人工地震数据处理采用非线性分频自适应噪音检测及压制技术,对不同频率、不同种类的噪音进行处理。在不同的频段内,以加权中值为参量,自动识别面波、声波、脉冲、野值等不同噪声类型,根据噪声与信号的数值关系,计算加权曲线,对噪声进行衰减,并重构地震记录。从处理后的单炮记录看出,信号畸变很小,各种强能量干扰得到压制,且不损失浅层和深层的有效反射波信息(见图3)。

图3 叠前去噪前后的原始单炮对比Fig.3 Comparison of original single-shot records before and after pre-stack noise attenuation

由于激发和接收在空间方向与环境的不断变化,单炮记录在空间方向上能量、频率不均衡。数据处理中以先去噪、后补偿的振幅补偿原则,采用地表一致性振幅补偿技术解决炮间和道间能量不一致问题;采用地表一致性反褶积技术进行子波统计、子波整形、相位校正与拓宽频带提高分辨率(见图4)。

图4 反褶积前后的单炮及频谱对比Fig.4 Comparison of single-shot records and frequency spectra before and after deconvolution

在采用常速扫描法和调查速度变化规律的基础上,针对目的层有效信号的优势频带进行速度分析。经多次迭代和加密(30 m一个点)速度控制点分析,可有效提高叠加速度的精度,为后续地层标定和构造解释奠定可靠的数据基础。

4 地质精细解释

从获得的时间剖面上看到,基本以200 ms为界,上、下时间存在两种明显不同的反射波组特征(见图5、图6)。上部的反射波组同相轴基本为水平平行结构,连续性好,主频较高,能量较弱;下部的反射波组形态起伏变化明显,呈亚平行结构,连续性差,主频较低,能量较强。此外,反射波组同相轴还出现明显中断与位错、强弱相位的反转和产状变化等特征。

图5 DZ-1测线地震整体时间剖面和虚线框段放大时间剖面Fig.5 Overall time profile and enlarged time profile of the selected section within the dashed box of seismic line DZ-1

图6 DZ-3测线地震整体时间剖面和虚线框段放大时间剖面Fig.6 Overall time profile and enlarged time profile of the selected section within the dashed box of seismic line DZ-3.

根据DZ-1线附近的煤矿钻孔资料,新近系底埋深为134.05～153.20 m,变化很小;二叠系山西组3号煤层埋深为187.80～257.10 m,太原组15号煤层埋深为300.50～373.10 m,同一层埋深差异达60 m以上。说明新近系地层沉积前,地表的风化剥蚀强烈,古生界残留厚度存在变化。

根据获得的时间剖面,结合剖面附近煤矿钻孔资料综合分析得出:本区发育四个标准地震反射波TQ、TN、T3和T15。TQ为第四系(Q)与新近系(N)分界面的反射波;TN对应新近系与古生界之间的角度不整合面,即新近系底面的反射波;T3为古生界二叠系内部山西组3号煤层底的反射波;T15为古生界二叠系内部太原组15号煤层底的反射波。通过对TQ、TN、T3和T15四个标准地震反射波的标定、追踪和对比,完成地震剖面解释,实现对目的层和隐伏断层的研究。

根据断点组合原则,把时间剖面上断点性质相同、落差相近的相邻断点,按照区域构造规律组合起来组成同一条断层。将DZ-1测线上的断点F2和DZ-3测线上断点F2进行组合,认为其为安城正断层。该断层落差约30 m,上断点埋深为135～170 m,仅错断新近系、二叠系地层及深部地层,其上断点未延伸至第四系。宋家庄断层由DZ-3测线控制,DZ-1测线未发现,该断层落差约20 m,上断点埋深约150 m,仅错断新近系、二叠系地层及深部地层,其上断点未延伸至第四系。

5 结论与讨论

(1) 本次浅层人工地震采用小道距、高覆盖次数观测参数,应用非线性分频自适应噪音检测及压制技术等处理手段,结合已有资质资料进行综合分析。查明新近系与第四系覆盖层厚度,得到测区中安城断层和宋家庄断层的特征,明确两个断层均为燕山期活动-更新世活动断层,非全新世断层,可不考虑工程抗断问题,为后续区域性地震安全评价工作提供可靠的地球物理依据。

(2) 浅层人工地震勘探是区域性地震安全评价中目标区主要断层勘查与活动性鉴定有效的手段,尤其对精确探测隐伏断层及查明隐伏覆盖层厚度效果最佳。但需要合理选择和优化观测系统、采集参数,针对性地进行资料处理、综合分析已知地质资料及选取有效的方法,方可确保探测效果。