三维地震技术在塌陷区预测及成因分析中的应用

和芬芬

(中石化地球物理公司 科技研发中心，江苏 南京 211100)

1 引 言

地面塌陷是指上覆岩层发生破坏，岩体下陷或塌落在地下空洞中，在地表形成不同形态塌陷坑(洞)的一种动力地质现象[1]。目前，针对塌陷区进行探测的地球物理方法主要有高密度电法、探地雷达法、瞬变电磁法、瞬态瑞雷面波法以及地震反射波法[2-5]。其中地震方法探测深度大、分辨率高，空间定位准确[6]，可对地下构造和地质体进行精确成像，具有其他地球物理方法所不具备的空间勘察精度优势。2010年，张凯等[7]利用浅层地震反射波法对塌陷坑及周边进行了全方位探查，查明了塌陷成因，圈定了安全范围；2015年刘章平等[8]在盐矿区开展了二维地震勘查，预测了潜在的异常塌陷区；2019年，王孟克等[9]应用地震反射波法查明了长平高速公路下伏断层破碎带和塌陷空间分布情况，并得到了钻孔验证。这些都表明应用地震反射波法对塌陷区进行探测是完全可行的[10]。

山东某农田区自2016年9月至今先后发生了4次不同程度的塌陷，严重威胁了人民的生命财产安全。本文应用地震勘探方法，查明了塌陷深部的地质构造特征，并在三维空间内预测了塌陷范围，分析了塌陷成因，为该区的安全评估提供了有效依据。

2 地质特征

工区地势平坦，地表海拔为31～45 m，断裂较为发育，以左旋压扭性断裂为主。地表被第四系临沂组覆盖，属风成因沉积，表土为黄土，土质松散含水性差，地表水极其稀少，其他沉积地层均被剥蚀，第四系下普遍发育蚀变闪长岩、矽卡岩、大理岩等变质岩。

3 地震资料采集

以塌陷区为中心，开展了0.84 km2的三维地震采集，选用3 552道全排列接收观测系统，具体参数为：面元网格5 m(纵)×10 m(横)，接收线距20 m，炮线距60 m。通过试验分析，确定激发参数为单井激发，井深4 m,药量1 kg；接收参数为10 Hz单点检波器，采样间隔1 ms,采样长度1 s,宽频带接收。

采集到的单炮品质较好，初至波能量强、起跳干脆，易于拾取，总体记录信噪比较高(图1)，为获得高质量的地震剖面奠定了基础。

图1 原始单炮记录

4 地震资料处理

从采集单炮(图1)可以看出，该区面波、折射波发育，机械干扰严重，且目的层浅，塌陷范围小，因此在处理方面如何压制噪音，提高信噪比，保证浅层覆盖次数和成像精度是关键。

4.1 复合多域保真去噪技术

通过大量试验，针对不同噪音类型，采用保真保幅去噪技术，分别在时间域、频率域、FX域分类分步压制噪音，逐步提高资料信噪比。图2为复合多域保真去噪前后剖面对比，去噪后反射波连续性增强，信噪比得到明显提升。

图2 去噪前后对比

4.2 精细速度分析与切除技术

速度分析是地震资料处理中非常重要的环节，首先利用DIX公式，从层析反演的速度-深度模型求取叠加速度，然后利用该速度作引导进行速度谱解释、拾取。速度拾取的过程中采用手动拾取与常速扫描相结合的方式，确保速度拾取准确。

由于塌陷深度较浅，切除对剖面成像影响较大。为了保护好浅层资料，在精确求取叠加速度的同时，采用了人工交互切除方法，并与动校正拉伸切除进行对比，保证了较高的浅层覆盖次数和分辨率，尽可能提高了浅层的成像精度，为下一步塌陷区的分析打下了良好的基础。

5 地震资料解释

5.1 塌陷区精细地震解释

针对塌陷目标区域开展了1 m×1 m的精细网格地震解释工作，过塌陷区典型地震剖面解释如图3和图4所示，本区第四系下普遍发育蚀变闪长岩地层，通过综合地质分析认为160 ms位置的强反射(绿色线)为第四系砂质黏土与蚀变闪长岩的接触界面，可以看出基底顶面在塌陷位置具有明显的同相轴下拉、扭曲和错段的特征，并且在塌陷位置发育两期逆断层。

图3 东西向地震解释剖面

图4 南北向地震解释剖面

对第四系底界面进行变速成图，形成了底面埋深图，如图5所示。由图5可以看出，塌陷区存在明显的塌陷，且正好处于断层发育区，形成了背斜背景下的断块区。

图5 第四系底面埋深

为了进一步了解垂向上其它深度是否存在塌陷，在第四系底面之下又解释了四套层位:h1(黄色线)、h2(天蓝色线)、h3(红色线)和h4(蓝色线)，并分别绘制了平面埋深图(图6)，在塌陷位置没有发现异常特征。因此，预测塌陷的底部应该是位于第四系底部风化壳附近，且并没有继续向下延伸的趋势存在。

图6 不同层位的埋深

5.2 基于层析反演的塌陷范围预测

层析反演是一种非线性模型反演技术，它是利用地震单炮记录初至波射线的走时和路径反演介质速度结构的一种高精度反演方法。该方法目前主要用于反演地下介质的速度分布和速度分界面的形态，被广泛应用于能源勘探、工程勘查与检测、地质灾害调查等领域[7]。

从不同深度层析反演速度剖面中可以看出，在地表塌陷位置对应处速度存在明显下陷特征(图7)，且此特征在不同深度平面大小存在一定差异，整体呈现从上到下逐渐减小的空间展布特征。

图7 不同深度塌陷展布范围在层析反演剖面中的显示

本次研究以速度下陷特征作为主要地球物理依据，对不同深度的塌陷展布范围进行了解释，并以包络面作为最终的预测塌陷范围，面积约1 530 m2，其中南北长约63 m，东西长20～38 m，埋深70～90 m，如图8所示。

图8 预测塌陷范围平面

6 塌陷成因分析

该区域无灰岩发育，因此灰岩溶洞造成塌陷可以排除。本区近年来因天气干旱和工农业大量提取地下水，使地下水位大幅度下降。从地震资料解释结果来看，塌陷区第四系厚约76 m，成岩较差，其下部蚀变闪长岩受风化剥蚀及地下水淋滤作用，岩石松软破碎，而塌陷区恰好位于逆断层发育区，断层活动使断点上方地层更加疏松，地层空隙进一步扩大，加之地下水位区域性变化，地层失水，抗压性变差，最终造成地面塌陷。

7 结 论

1)采用小面元、高覆盖的三维地震方法有利于塌陷区的空间成像，针对塌陷深度浅、范围小的特征，提高浅层覆盖次数和成像精度是数据处理的关键；

2)塌陷区一般具有速度下陷特征，利用层析反演方法来寻找低速区，是预测塌陷空间分布的有效方法；

3)本区地表塌陷处第四系底面发生了明显错动，断层的发育加剧了地层的疏松进程，是地表发生塌陷的重要原因之一；

4)由于断层为早期形成，并已发生塌陷，地下大的孔洞遭遇填充，因此再次发生塌陷的可能性较小。