城市隐伏活断层探测中采集参数的研究

秦晶晶　酆少英　左　莹　魏学强

1　中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002

城市隐伏活断层探测中采集参数的研究

秦晶晶1酆少英1左莹1魏学强1

1中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002

摘要：根据波动方程有限差分原理，通过设定不同的观测系统参数，对浅层活断层模型进行正演模拟。同时结合实际资料，讨论适合于浅层城市活断层探测的采集参数。结果表明，采用小道距、小炮距以及适合于地震主频的数据采集方法可以得到高质量的浅层地震资料，有利于提高隐伏活断层上断点的定位精度。

关键词：城市活断层；正演模拟；断层上断点；高分辨率

活断层探测一般采用地震反射波勘探方法[1-2]，该方法在部分城市的隐伏活动断层探测中已取得很好的探测成果[3]。活断层地震勘探的难点在于：1)勘探目标深度较浅，地层之间波的阻抗差异较小，加之第四纪松散沉积物对有效信号强烈吸收，导致浅部地层的反射信号较弱；2)城市建设对浅表层改造较为严重，地表的不均匀性影响了反射波组的横向连续性，进而影响对地震活断层上断点的解释[4-5]。活断层探测最主要的判断指标就是隐伏断裂上断点的位置及埋深，而城市活断层地震资料采集参数的选择是获取高品质地震资料以及影响上断点解释精度的重要因素[6]。

正演模拟技术在煤田小构造、油气勘探、陷落柱以及火山岩发育等特殊地质体的识别中得到广泛应用，但在隐伏活断层勘探方面应用较少[7]。本文通过模型正演模拟以及实际资料应用，论证适合于城市浅层地震勘探的采集参数，为城市活断层探测的前期工作提供依据。

1正演模拟技术

正演模拟技术一方面可以帮助人们直观地认识地震波在地层中的传播规律，使抽象的地震反射波既具有地球物理意义，又具有明确的地质含义。另一方面，将地震记录和波场快照有机结合，容易对目的层进行定位，可直接判定成像结果的好坏，为地震资料解释提供更为直观、可靠的参考依据。

2基于正演模型的观测系统参数分析

野外地震观测系统参数主要包含地震波主频、道间距、炮间距、排列长度和覆盖次数等，这些参数对获取高分辨率的地震资料起着非常重要的作用[8]。通过大量正演模拟试验分析发现，地震波主频、道距和炮距是影响城市活断层上断点判断的关键因素。

2.1模型建立

城市活断层探测的目的层埋深一般较浅，约为几十m至几百m，且上断点断距也较小。在建立地质模型时，为使模型更接近实际情况，设计的地层埋深较浅，且为了减少其他因素对分析结果的影响，将模型进行简化，地层均为水平层状介质(图1)。

图1　地质模型Ⅰ和地质模型ⅡFig.1　The geological model Ⅰ and model Ⅱ

模型Ⅰ：设计3层地层，地层速度从上而下依次为700 m/s、900 m/s、1 250 m/s、1 500 m/s；地层埋深依次为20 m、40 m、80 m；在模型中存在3个断点，断距分别为2 m、3 m、4 m。地质模型Ⅰ如图1(a)所示。

模型Ⅱ：设计6层地层，地层速度从上而下依次是1 050 m/s、1 400 m/s、1 600 m/s、1 800 m/s、2 000 m/s、2 300 m/s、2 500 m/s；在模型中设计6个断点，断距分别是4 m、5 m、9 m、19 m、33 m、46 m。地质模型Ⅱ如图1(b)所示。

2.2结果分析

运用Tesseral全波场正演软件，采用波动方程有限差分原理正演模拟，在获得的单炮记录上分别进行直达波切除、FK滤波、抽共中心点道集、动校正和叠加等处理，得到最终的叠加剖面。

2.2.1主频分析

基于地质模型Ⅰ，分别设计不同主频(30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz、90 Hz)的雷克子波进行模拟。在正演模拟过程中，为避免边界效应的影响，将计算宽度左、右各扩大500 m。为兼顾计算方法的稳定和抑制频散的产生，计算网格选择1 m。观测系统参数为：采用中点对称放炮方式，道间距为1 m，180道接收，炮间距9 m，覆盖次数为10次，采样间隔0.5 ms，记录长度0.5 s。

从图2可以看到，子波主频较小(30 Hz、40 Hz)的偏移剖面，断层处反射波同相轴仅出现微小扭曲，有的甚至分辨不出断层，如30 Hz剖面中第3层反射波同相轴基本上呈近水平形态。随着频率的增大，断层的分辨能力也逐渐提高，在子波主频(60～90 Hz)的偏移剖面上，可以很清楚地看到断层处反射波出现明显的扭曲，断点清晰程度也相应提高。然而，在90 Hz偏移剖面上，虽然对断层的反映较清晰，但出现了假频信息，反射波能量的均衡性也明显不如60 Hz偏移剖面好。所以，在提高浅部断层分辨率时不能盲目提高地震波主频，只要达到勘探要求即可。在后续的其他参数对比中，地震子波均选择60 Hz主频。

图2　不同主频大小的偏移剖面Fig.2　The migrated section of different frequency

2.2.2道距分析

基于地质模型Ⅱ，分别设计不同道距参数(1 m、2 m、3 m、5 m)进行正演模拟。为避免边界效应的影响，将计算宽度左、右各扩大800 m；差分网格1 m。观测系统参数为：采用单边放炮方式，96道接收，覆盖次数8次，采用60 Hz雷克子波频率进行震源激发，采样间隔0.5 ms，记录长度0.5 s。

从图3可以看出，采用不同的道间距获得的浅层资料信息是截然不同的。很明显，道间距为1 m和2 m的叠加剖面对上断点的识别能力以及浅部地层的连续性均明显好于道间距3 m和5 m的剖面。3 m道距剖面的浅部地层虽然横向连续性较差，但还能隐约判断出有断层存在，但对断层位置的判断精度稍差。而采用5 m道距接收的叠加剖面，由于浅层反射波信息缺失，剖面中可分辨的最浅反射波在80 ms处，对应第3层反射界面。分析可得，不同道距的地震剖面所能探测的深度范围以及对上断点判断的精度是不一样的;小道距接收更有利于得到浅层反射信息，同时提高了对浅部断层上断点的识别能力和地震资料的解释精度。

图3　不同道距参数的叠加剖面Fig.3　The stacked section of different group interval

2.2.3炮距分析

基于地质模型Ⅱ，分别设计不同排列长度(96 m、192 m、480 m)进行正演模拟。根据d=NS/2n可得，在保证道距和覆盖次数一定的情况下，改变炮距，相应的排列长度也发生改变。观测系统参数为：采用单边激发方式，道距为2 m，覆盖次数8次，炮距分别为6 m、12 m、30 m，接收道数分别为48道、96道、240道，采用子波主频为60 Hz的雷克子波进行震源激发，采样间隔0.5 ms，记录长度0.5 s。

从图4可以看出，炮距为6 m和12 m的叠加剖面对浅部地层的小断层识别能力明显好于大炮距剖面，且浅部地层反射波同相轴的连续性也较好。而炮间距为30 m的剖面，由于浅层远道距处动校正拉伸较严重，浅部有效信息损失较多，导致第1层和第2层的反射波同相轴连续性较差，很难分辨出断层的具体位置。30 m炮距的叠加剖面中能够分辨的最浅反射波走时约60 ms，对应模型中的第2层界面。经分析可得，在道距和覆盖次数一定的情况下，小炮距激发的叠加剖面对断层的上断点反映效果较好。

图4　不同炮距的叠加剖面Fig.4　The stacked section of different shot interval

3实际资料验证

研究区新生代以来的沉积层内部存在多组反射能量较强的反射地层，且第四系底界为一个物性差异较好的分界面。勘探区内第四纪覆盖层厚度达800～1 100 m，内部存在多条第四纪隐伏活动断裂[9]。

3.15 m道距地震剖面特征

在垂直目标断层走向上布设一条长为900 m、道距为5 m接收的地震测线。观测系统参数为：道间距5 m，最小偏移距20 m，接收道数72道，覆盖次数12次，炮距15 m，采样间隔0.5 ms，记录长度1 s，使用固有频率60 Hz的检波器接收地震波信号。

图5显示，双程走时600 ms以内可识别多组反射波同相轴，且图中揭示的断裂构造特征非常清楚，断层几乎错断了剖面上所有的反射波同相轴，可推断该断层规模很大。此外，断层的上断点已错断到T1反射界面，对应埋深约42～45 m，其断距约20 m。在T1反射界面至地表之间的地层反射较弱，剖面上几乎识别不出可连续追踪的反射波同相轴，仅看到个别断断续续的反射波组，并伴有一些斜干扰出现。总体来看，在5 m道距的叠加剖面上，错段地层的上断点埋深只能确定在42～45 m左右。

图5　5 m道距反射波叠加剖面图Fig.5　The stacked section of seismic reflector in 5 m group interval

3.21 m道距地震剖面特征

观测系统参数为：测线长度600 m，道间距1 m，最小偏移距4 m，接收道数60道，覆盖次数为12次，炮距2.5 m，采样间隔0.25 ms，记录长度0.5 s。为压制低频干扰、提高反射信号主频，使用了100 Hz的高频检波器进行信号接收。

从图6可以看出，200 ms以上浅部地层信息与图5相比有了很大改善，可多分辨出3组比较清晰的反射波同相轴T01～T03，且断层在浅部地层的错断现象反映也非常清楚。在1 m道距叠加剖面上进行资料解释，断层上断点错断到T02反射界面，经过时深转换，对应的断点埋深约12～15 m，其断距约2～3 m。

图6　1 m道距反射波叠加剖面图Fig.6　The stacked section of seismic reflectorin 1 m group interval

为验证不同道距探测结果的可靠性，与浅层地震测线重合布设1条跨断层钻孔联合地质剖面。剖面结果揭示，该隐伏断裂确实存在，且确定的深度由深到浅依次为68.17 m、43.75 m、20.33 m和13.04 m，断距依次为25.7 m、20.34 m、9.66 m和2.25 m。分析对比可知，1 m道距地震剖面揭示断层上断点错断到T02反射地层，埋深为12～15 m，断距为2～3 m；钻孔地质剖面揭示断层上断点深度为13.04 m，断距为2.25 m，两者吻合较好。

研究资料显示，炮距15 m激发、5 m道距72道接收的叠加剖面上，100 ms以内的浅部反射波信息已不能分辨，能可靠分辨的断层上断点埋深为42～45 m处。而采用炮距2.5 m激发、1 m道距60道接收的叠加剖面，100 ms以内的反射波信息明显增多，断层上断点埋深可上延解释到12～15 m，且解释结果与钻孔地质剖面成果吻合较好。综上表明，采用小道距、小炮距的工作方法，有利于获取更多的浅部地层反射波信息，且对隐伏活断层上断点的解释精度更高。

4结语

本文通过对理论模型进行正演模拟，设定不同观测系统参数，根据正演记录的处理结果，可直观快速地对比不同参数对成像结果的影响，为后期的实际资料运用奠定基础。结合实际活断层探测资料的结果表明，在进行浅层城市活断层勘探时，采用小道距、小炮距和合适地震波主频的工作方法，可获取高质量的浅层波阻抗界面反射波，进而提高隐伏断裂上断点判断的精度。

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Foundation support:Youth Fund of Geophysical Exploration Center, CEA, No.YFGEC2014002.

About the first author:QIN Jingjing, engineer, majors in active fault detection, E-mail：453556229@qq.com.

Research of Acquisition Parameters in the Shallow Seismic Exploration of City Buried Active Fault

QINJingjing1FENGShaoying1ZUOYing1WEIXueqiang1

1Geophysical Exploration Center, CEA, 75 Wenhua Road, Zhengzhou 450002, China

Abstract:In this paper, we use the wave equation finite-difference method for forward modeling of the active fault model by setting different observation system parameters. Combining this with the application of practical urban active fault detection data, we obtain acquisition parameters that are suitable for shallow urban active fault detection. The results show that using the observation methods of small group intervals, mini-shot intervals and appropriate seismic frequency gets high quality shallow seismic data, which is conducive to improving the positioning accuracy of the breakpoint.

Key words:urban active fault; forward simulation; up-breakpoint of fault; high resolution

收稿日期：2015-07-08

第一作者简介：秦晶晶，工程师，主要从事活断层探测研究，E-mail：453556229@qq.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.017

文章编号：1671-5942(2016)07-0635-04

中图分类号：P315

文献标识码：A

项目来源：中国地震局地球物理勘探中心青年基金(YFGEC2014002)。