3维反射地震方法在活断层探测中的应用试验——以芦花台断层为例

酆少英 刘保金 赵成彬 何银娟 谭雅丽 贾艳霞

1)中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002

2)河南油田石油物探技术研究院，南阳 473132

0 引言

活动断裂是一种现代正在活动的构造，它与地震和地质灾害紧密相关，从而对城市的安全造成直接的威胁(邓起东等，2003)。大量地震灾害调查结果表明，活断层不仅是产生地震的根源，而且沿断层线地震破坏也最为严重。确定一个地区是否存在断层以及断层是否错断晚更新世以来的地层，是判断是否存在活断层的关键。

浅层人工地震勘探方法由于其勘探深度范围较大、抗干扰能力强、分辨率和精度高，可以直观显示断层在浅部地层的分布情况以及上断点埋深，在城市活断层探测中得到了广泛的应用(刘保金等，2002，2007)。但这些应用绝大部分都是2维方法，相对来说精度较差、控制程度较低(夏训银等，2010)。

地质构造是3维体，对3维体的探测需要用3维的方法。2维地震探测时，如果测线方向垂直于构造走向，则可以得到正确反映测线下方地质构造的剖面图。如果测线不垂直于构造走向，剖面反映的构造可能和真实构造有一定的偏差，有时甚至是错误的。3维地震是在一定的面积上采集地下地震信息的方法，可从3维空间了解地质构造情况。这种方法可以提供剖面的、平面的、立体的地下地质构造图像，可以有效地探测小断层、陷落柱、地质异常体和活动断层等地质构造(徐小连，2010;彭素萍等，2011)，大大提高了地震勘探的精确度。本文利用在银川盆地开展的活断层浅层3维地震试验资料，探讨3维地震探测方法在活断层中的应用及其优越性。

1 试验区概况

试验区位于银川盆地内。银川盆地处于纵贯中国大陆的南北地震带的北端，新构造运动十分活跃，活动断裂发育(国家地震局“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组，1988)。已有地质和物探资料表明，在盆地内存在多条第四纪隐伏活动断裂(柴炽章等，2006;刘保金等，2008)，其中，规模较大、活动性较强的为银川断裂和芦花台断裂，这2条断裂分别在银川市城区的东部和西部通过，属NNE－SSW走向的正断层(图1)。它们在渐新世曾是银川盆地的构造边界，至今控制着银川盆地的第四纪沉降中心。

图1 3维试验区地质构造Fig.1 The geological structure of the experimental 3－D seismic survey area.

根据以往深地震反射剖面(赵成彬等，2009;酆少英等，2011)和浅层2维地震探测结果，芦花台断层是发育在上地壳内的断层，上断点较浅(柴炽章等，2011)。浅部由2条分支断层组成，呈“Y”形分布，向深部延伸，在深度约12.5km终止于贺兰山东麓断裂上。

3维浅层反射地震的试验区位于银川市西北部的贺兰山农场，芦花台断层自南向北从试验区穿过。试验区地势比较平坦，为农田覆盖区，且无公路、房屋等明显的地表障碍物存在。潜水面深度相对较浅，一般为2～3m，非常有利于测线布设及地震波的激发和接收。

2 数据采集与处理

2.1 数据采集

野外数据采集是地震勘探最初的环节，也是最重要的环节之一，质量好的原始数据是保障探测效果的关键因素。

综合考虑试验区的地质、地球物理条件、以往探测参数和现场试验结果，本次试验采用8线10炮的束状3维观测系统，以芦花台断层为中心，在550m×875m的范围内布设了5束28条测线。地面采样网格为5m×20m，CMP网格为2.5m×5m。数据处理中，通过3维插值，最终提交成果的CMP网格为2.5m×2.5m。观察系统参数见表1。

地震波激发采用单边追逐方式，384道接收，激发药量300g，激发井深10m。

采集仪器为美国I/O公司的System－Ⅱ遥测数字地震仪。采样间隔0.5ms，记录长度2 048ms，记录格式为SEG－D。地震波的接收使用了60Hz的高频检波器。

图2是一个典型的原始地震记录。可以看到，原始资料具有较高的信噪比，出现在双程旅行时(以下简称TWT)0.45s左右的目标层反射波组能量强，连续性好，在目标层反射波以浅及以深的记录部分也可分辨出多组反射能量较强、横向连续性较好的反射震相。高信噪比的原始资料为取得高质量的探测结果提供了十分重要的第一手观测数据。

2.2 数据处理

基于活断层探测的浅层反射地震勘探，数据处理的重点是尽可能保护和恢复地震记录中的有效高频成分，提高剖面的分辨率，以便精确确定断层的空间分布特征和上断点位置;另外，有效压制各种干扰波，提高剖面的信噪比，使各种构造现象能够在剖面上清晰地显现，也是数据处理的关键。本次试验获得的地震记录信噪比较高，提高资料分辨率为本次处理的重点。

3维反射地震资料的数据处理在流程上和2维地震资料的数据处理基本相同，但在具体的处理模块和参数选用上，需要考虑3维地震数据在横向上的变化，选用一些适合3维地震数据的模块和参数。通过对模块和参数的对比试验，确定本次处理的主要流程为:原始数据输入、3维观测系统定义及检查、死道编辑及初至切除、球面发散补偿、内切滤波法去面波、地表一致性振幅补偿、地表一致性反褶积、速度分析和剩余静校正迭代(2次)、DMO和第3次速度分析、最终叠加、3维去噪和横向插值、3维一步法偏移以及最终剖面显示。

偏移处理是3维地震数据处理的关键环节，也是体现3维地震勘探优越性的重要步骤。3维偏移不仅考虑了沿测线方向上构造对数据的影响，也同时考虑了垂直测线方向上构造对数据的影响，避免了2维偏移中侧向构造对偏移结果的影响，能使地下地质体偏移到真实的空间位置。本次处理中采用3维一步法有限差分偏移方法，偏移速度场利用DMO速度进行平滑得到。图3为3维偏移前后效果对比，可以看出偏移后绕射收敛，断点清楚，断层线清晰。

通过综合、配套的处理技术，得到的剖面有着较高的信噪比和分辨率，断点清晰，地质构造清楚，为资料解释提供了良好的基础。

表1 观测系统参数表Table 1 The table of layout parameters

图2 典型地震记录Fig.2 The typical seismic records.

3 资料解释

3维资料解释采用人机交互方式进行。通过多线剖面对比、时间切片、3维可视化、3维相干体等工具，综合考虑纵横、剖面的反射特征，进行层位对比与追踪，得到了反映地层、断层空间变化的3维数据体。

3.1 标准层的确定及时间剖面解释

地震标准层是指波形特征明显、稳定，并在区域内大多数地段可连续追踪的与勘探目的层相联系的反射地震界面。图4是1条EW向剖面。从剖面看，反射波组信噪比较高，特征清楚。其中位于TWT 0.4～0.5s的反射波组代表了第四纪地层和古近纪、新近纪地层的分界面，在本区所有的纵、横剖面上都有着较高的信噪比和较好的连续性，可作为层位对比和追踪的标准层。

根据剖面的波组特征，解释了8组可连续追踪的反射波组，由浅到深分别标记为T0—T7。T0位于剖面上部，TWT约为0.05s。

图3 3维偏移前后效果对比图Fig.3 The comparison map of 3D migration effect.a叠加剖面;b偏移剖面

根据上、下反射波组的相互依赖关系和同相轴的错断情况，在剖面中部解释了2条呈“Y”字形分布的断层F1和F2。其中，断层F1明显错断了反射波同相轴T1及以下的所有反射波同相轴，其断距由浅到深逐渐增大。断层F2仅错断了反射波同相轴T2—T7，并在TWT 0.8s左右归并到断层F1上。从这2条断层在剖面上的特征和断层规模来看，断层F1应是目标断层(芦花台断层)的主断层，F2是其分支断层。

3.2 3维相干数据体

相干体分析技术是通过对相邻地震道数据进行相干性计算，进而得到反映地震道相干性的新数据体。剖面上如果有断层通过地层，可导致断层两侧的地震道不一致，相似性差，预示着断层的存在。因此在断层的解释上可将相干剖面与相对应的时间剖面进行交互解释，使小断层不被漏失，以确保解释结果最大限度地符合地下地质情况，增加断层解释的可靠性。

图5给出了TWT 0.25s的相干数据体时间切片，不相干数据的分界在图中显示得非常清楚，其分界反映了断层两侧具有不同的物性特征。图5b的红、绿线条分布是根据时间剖面解释断层F2和F1在时间切片的投影，和图中不相干部分可较好地吻合。

3.3 断层的空间分布

利用多种3维解释手段，得到了反映地层、断层3维空间分布的数据体。对其进行3维立体显示(图6)，可以直观地反映地下地层界面、断层的空间展布形态，可以从不同的角度观察不同反射层的纵、横向变化特征、断层错断的反射层位、断层交切关系以及断层的空间展布形态等地质构造信息。

由图6可以看出，断层F1和F2是在整个试验区内总体呈NE－SW向展布的正断层，并在局部地段出现左右的摆动，F1倾向SE，F2倾向NW。2条断层之间的距离在不同的反射层平面内也有着明显的变化，其间距总体上由北向南逐渐增大。3维地震数据的垂直剖面图上，2条断层之间的距离随着深度的增加而逐渐减小，并在TWT 0.80s左右，NW倾向的断层F2归并到SE倾向的断层F1之上。从这2条断层的断距来看，断层F1使剖面上各反射层错开的距离也大于F2断层，这些现象表明，断层F1的规模大于F2断层。断层F1的上断点埋深在不同剖面上是不同的，具有由北向南逐渐加深的趋势，在试验区的北部上断点埋深为25～30m，而在试验区的南部上断点埋深为35～40m。

图4 EW向剖面及解释结果Fig.4 The profile in EW direction and the results of interpretation.

图5 TWT 0.25s相干数据体时间切片显示Fig.5 The time slice display of coherent data volume in TWT 250ms.

图6 反射层位和断层的3维立体显示图Fig.6 The 3D stereo display of reflection horizons and faults.

4 结果与讨论

(1)芦花台断层由2条相向倾斜的正断层组成，主断层F1走向NE，倾向SE。次级断层F2走向NE，倾向NW。断层F1和F2之间的平面距离在试验区内由北向南逐渐增大，垂直方向上，2条断层之间的距离随着深度的增加逐渐减小，在深度780～800m左右2条断层归并到一起。从断距来看，F2使剖面上各反射层错开的距离明显小于F1。F2的上断点埋深位于反射层T3，其深度为110～120m;F1的上断点埋深在试验区内具有自北向南逐渐加深的趋势，北部埋深为30～35m，南部埋深为40～45m;这表明断层F1的活动性强于F2，且自北向南逐渐变弱。

(2)3维反射地震资料具有数据量大、信息量丰富的特点，可以综合采用地震反射层位的3维空间对比方法、3维数据时间切片、3维相干数据体分析、3维可视化以及垂直剖面和水平切片综合显示技术进行分析与解释，互相印证，得到探测区内主要地震反射层位的空间展布、主断层和次级断层之间的相互关系以及它们的空间展布形态，为活断层探测提供丰富可靠的资料。

(3)3维偏移不但考虑了沿测线方向上的构造对地震数据的影响，同时也考虑了垂直测线方向上的构造对地震数据的影响。因此，能把隐伏的3维地质体偏移到实际的空间位置上。

(4)3维反射地震方法对于复杂构造成像精度高，有利于小构造成像。图7为同一位置3维(a图)和2维(b图)剖面对比。根据2维浅层地震剖面的反射波组特征，断层F2在TWT 0.50ms左右归并到F1断层上，而在3维浅层地震剖面上，断层F2向剖面深处一直可延伸至TWT 0.75ms左右。究其原因，3维探测方法对于复杂构造区成像精度高，2个断层之间小断块可以得到很好的成像。因此，能可靠地判定断层F2向剖面深部的延伸情况。

(5)3维地震具有成像直观、成像精度高、断层归位准确、信息量大的优点，已经在石油、煤炭等能源勘探中得到了广泛的应用。但由于场地要求严格、经费大的限制，在活断层反射地震探测中还没有得到大规模的应用。如何更好地利用3维浅层地震勘探技术服务于城市活断层探测，还有待进一步研究。