浅层地震反射波法在石膏矿采空区调查中的应用

胡安顺，孟庆鲁

(山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000)

山东省兰陵县具有丰富的石膏矿产资源，在历史开采过程中产生的采空区会造成地面局部塌陷形成地裂缝和地面塌坑等地质灾害，给当地居民生活和生产带来一定安全隐患。为查明该县石膏矿采空区分布范围，受兰陵县国土资源局委托，针对矿山开采范围利用地震反射波法开展物探测量工作，基本查明了矿区内采空区分布情况，为下步采空区恢复治理工作提供相应的地球物理依据。

1 地质概况

研究区地层较简单，第四系分布于全区，下伏地层为古近纪官庄群卞桥组。该组自下而上分为三段：卞桥组第一段：紫红色、砖红色、紫褐色、灰色泥质砂岩、细砂岩夹少量泥岩。在该段的顶部局部分布有石膏岩层，区域厚度480m。卞桥组第二段：为含膏岩系，石膏矿的赋存层位，研究区范围内共见有11个矿层。岩性主要为灰黑色、灰褐色泥岩、含膏泥岩、泥膏、普膏、纤膏及少量炭质泥岩、油页岩等，偶见动物化石碎片，其中泥膏、普膏、泥岩、含膏泥岩等基本呈互层状相间分布；矿区内厚度114.84～140.5m。卞桥组第三段：灰、灰黑、紫褐色泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、长石石英砂岩、泥灰岩等；深灰色泥岩中夹少量厚0.20～0.40m炭质泥岩；灰色泥岩中常可见瓣鳃类、腕足类、介形虫、轮藻等化石。区域真厚度229～358m，平均厚度276m，矿区残留厚度17.88～126.37m。第四系覆盖区，总厚度27.30～30.45m。上部有1～1.5m厚的黑灰色粘土、亚粘土，其下以黄褐色、褐色粘土、亚粘土为主，夹有砂质粘土及亚粘土。

石膏矿赋存于卞桥组第二段中，矿层由SW向NE倾斜，呈单斜构造，倾角一般7°～8°，局部被断层切错。自下而上共11个矿层，其中第Ⅴ、Ⅷ层为主矿层，Ⅷ矿层大部分已经开采。Ⅴ矿层厚度7.34～8.04m，矿层赋存标高为-50m～-200 m，埋深80～230 m。矿石类型以石膏为主，属稳定性矿层。顶、底板岩性均为紫褐色泥岩，上部与Ⅶ矿层距离13.97～14.17m。Ⅷ层为主矿层，矿层厚度4.50～11.22m,平均厚度8.86m。

2 地球物理条件

调查区地层上部为第四系，下伏为古近纪石膏层，表层第四系与下伏基岩存在明显的波阻抗差异，从表1可以看出，第四纪粘土层纵波速度较小，在200～700m/s之间，含膏层位岩性主要为砂岩、泥岩等，纵波传播速度较大，在1300～4000m/s之间变化，岩性之间存在较为明显的速度差异，给运用浅层地震勘探提供了地质基础。当含膏层位膏层未被开采时，各目的层的反射波出现较强的连续反射波组，当膏层被开采时，由于顶板冒落，岩体结构遭到破坏，出现反射波紊乱，产生绕射，能量衰减等现象，反射波组不能连续追踪，据此可以确定采空区位置。因此，在调查区开展浅层地震勘探，具备较好的地球物理条件。

表1 测区岩石纵波速度参数

3 地震反射波法勘探原理及参数选择

作为地震勘探的一个分支，浅层地震反射波法是利用地下介质弹性和波阻抗的差异，通过观测和分析人工地震产生的地震波在地下的传播规律，推断地下岩层的性质和形态的一种地球物理勘探方法。从震源激发出的弹性波入射到反射界面上产生反射，反射波返回地表，被检波器依次接收，并由地震仪记录下来。反射地震记录内包含着多种信息，其中反射波的旅行时间和震源到检波器之间距离的关系，称为时距曲线。用时距曲线可反演出地下反射界面的几何形态(地质构造)；而在地震反射信息中，还包含有地震波的振幅、相位、频率、速度、极性以及其他一些参数，表现出反射波的动力学特点，它能给出地层岩性的特征，有助于判断沉积环境和识别地质构造，如采空塌陷等[1-8]。

式中：t—波旅行时间(s)；x—激发点到接收点的距离(m)；v—介质的波速(m/s)；φ—界面倾角[9]。

该次地震反射波法勘察使用仪器为青岛骄鹏工程技术研究所有限公司生产的Miniseis48A型综合工程探测仪。为获得有效的地震资料，地震勘探施工前进行了试验工作。在研究区内布置一个大排列，采用24道接收，10m道间距。在排列附近分别采用10m,20m,30m的不同偏移距进行激发试验，观察激发效果，以确定有效的观测范围，选择合理的技术参数。

图1 偏移距地震单炮记录(a：10m，b：20m，c：30m)

从图1三幅单炮记录中不难看出，当偏移距为10m时，反射波能量较强，但同时面波干扰也较强，分辨率相对较低；当偏移距为30m时，面波干扰得到压制，但同时反射波能量也变弱；当偏移距为20m时，反射波能量和与面波的分辨率同时较好，故该区开展地震反射波勘察偏移距选择20m比较合适。

反射法观测广泛采用多次覆盖技术。采用多次覆盖技术的好处之一就是可以削弱多次反射干扰，也可消除一些随机噪声的干扰。多次覆盖反射波法的基本思想是对地下反射界面上各点的地质信息进行多次观测，即在测线上不同点激发、相应点接收来自地下界面相同反射点的多个反射波。这需要多次覆盖观测系统来实现，以简单的单边放炮6次覆盖为例，每放1炮可得到地下24个反射点，每放完一炮，炮点和接收排列同步向前移动2个道间距，组成6次覆盖观测系统。其中：第1炮第21道，第2炮第17道，第3炮第13道，第4炮第9道，第5炮第5道，第6炮第1道都是来自同一点的反射，称为该点的共反射点(叠加)道集。数据处理时可将地下所有来自同一反射点的地震道提取出来，重新组成共反射点道集，通常称为CDP道集[10-13]。为获得较好的能量，该次接收道数采用12道，覆盖6次观测。

该次二维地震勘探采用单边激发观测系统，观测系统参数为接收道数：12道接收；道间距：10m；偏移距：20m；覆盖次数：6次；激发：采用200kg落重激发，能量不够时采用多次叠加覆盖；检波器：采用自然频率为100Hz的高频数字检波器。

4 工程布置

受地表建筑物影响，该次工作根据场地实际情况，该次工作共布置地震剖面12条，测点间距10m，各测线布置情况见图2。

图2 山东省兰陵县石膏矿区地震勘探平面成果图

5 资料整理

该次二维地震资料处理工作流程为解编(数据拼接)→观测系统创建→叠前滤波→振幅补偿→初至切除→反褶积→静校正→速度分析→动校正→剩余静校正→水平叠加→叠后反褶积→时变滤波→叠后偏移→时深转换。针对该区地震资料品质以及存在的主要问题，经过反复试验及试处理工作，掌握了该区资料处理的一些关键环节，确定了该次处理的重点是叠前去噪、初至切除、速度分析、叠后处理等，最终取得了较好的处理效果[14-18]。

6 资料解释

地震反射波法勘察是利用人工激发的地震波在地层的传播过程中，在波阻抗界面上产生的反射信号进行分析，用以推断界面深度、构造形态及其物性参数。采空区是由于人为挖掘或者地质作用等原因形成的存在于地表以下一定深度的空洞，在石膏矿采区主要是指在开采过程中形成的无矿区及巷道。由于采空区与未采矿层以及围岩在速度和密度方面存在一定的差异即波阻抗差异，这一差异会在地震波的传播过程中引起响应，出现反射波紊乱，产生绕射，能量衰减等现象，反射波组不能连续追踪。故而可以通过识别这一地震响应来判别采空区的边界及其分布范围[19-20]。

该区采空区分为塌陷采空区和未塌陷采空区，根据该次勘探结果，不同性质采空区地震剖面表现为不同的特征：

(1)无采空区：对于无采空区即没有开采的正常区，研究区地层呈现正常的层状反映。地震反射波振幅随着炮间距的增大逐渐均匀衰减。叠加后整条剖面幅值比较均匀，反射波同向轴较为连续，无明显异常存在，反应该测线控制范围内地层较为稳定，如7线(图3)。

图3 山东省兰陵县石膏矿区7线地震剖面成果图

(2)未塌陷采空区：对未经填充的无塌陷采空区，其内部空间通常为水、空气或瓦斯等气体。地震波在采空区与围岩形成的边界上会产生反射波，采空区顶板的反射波通常接近双曲形态，或与不规则边界形态相似。当采空区被水体填充时，反射波在盲区内形成顶板或底板的多次反射，并且反射波的频率、振幅也会发生变化；当采空区为气体时，反射波能量很弱，形成能量的空白带，如1线(图4)。测线浅部反射波较为连续，为上覆第四系的反应，在45～70m深度左右，反射波同向轴出现错段，反射波能量向软弱带集中，反应较为明显，可以推断此为采空区影响所致，且该处采空区较浅，顶板埋深大概在45～70m左右。

图4 山东省兰陵县石膏矿区1线地震剖面成果图

(3)塌陷采空区：根据大多数开采和勘探实例可知，塌陷的采空区会对上覆岩层产生一个影响范围，由于这些影响范围的存在，会对地震波有很强的吸收频散衰减作用，使反射波频率降低，并且破碎围岩及裂隙还会引起反射波波形紊乱甚至产生畸变，采空区下方则由于岩层相对完整而变化不明显，在地震时间剖面上表现为反射波组的中断或消失，形成推断采空区的“先兆”。对于严重塌陷的采空区，由于采空区内塌陷所造成的充填物在采空区内部均呈现出杂乱无章以及无序堆积的形式，所以在采空区内地震波的波速常常会由于这些充填物的存在而降低，导致采空区内部的地震反射波会与围岩的地震反射波存在一个较为明显的走时差。此外，由于采空区内部充填物的杂乱堆积会造成地震反射波的同相轴发生能量减弱、连续性降低等现象，也会形成推断采空区存在的明显标志。从8线地震剖面成果图上可以看到(图5)，该剖面整体上呈现出反射波同相轴连续性较差的特征。150m深度以下，反射波能量较弱，局部同相轴消失，出现能量空白带，推断为采空区的反应；150m以上反射波有同相轴出现，但是同相轴连续性较差，不同地段反射波能量出现明显差异。反射波的这种特征推断为采空区塌陷造成，采空区塌陷以后，填充物的无序堆积使波速降低，填充物分布的不均匀使得不同地段对反射波的影响程度不同。局部塌陷严重地段，会形成规模不等的地裂缝，反射波同相轴的断崖式错段、消失就是这种地质现象的反映。

1—矿区边界；2—推断采空区；3—地震反射剖面；4—道路图5 山东省兰陵县石膏矿区8线地震剖面成果图

该次利用浅层地震勘探技术在调查区范围内共圈定地下采空区塌陷区2处，结合矿区地质资料，该次工作推断的采空区分布范围及深度与调查区内的石膏矿层分布基本一致。采空区分布面积较大，且深浅不一，采空区深度分布多在50～300m，在地震勘探剖面上，呈现出不同深度的反射波同向轴异常。

7 结语

(1)通过对山东省兰陵县某石膏矿采空区进行勘查表明，浅层地震反射波法是较为有效的地下采空区勘探手段，其受电、磁等干扰影响较小，不受体积效应影响，推断可靠性较高。

(2)在不具备放炮条件的情况下，根据探测深度要求，激发时可采用锤击或机械震源，可重复激发，多道采集覆盖，野外操作较简便，成本较低。

(3)在工作中，根据当地的地质情况，通过典型性试验选择适当的工作技术参数是有效压制数据干扰、提高勘探准确性的前提条件，合理的数据预处理与速度分析等计算是非常有效提高资料质量的措施。

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