浅层地震勘探反射波法在岩溶塌陷勘察中的应用

耿祥峰(1.山东省地矿局八〇一水文地质工程地质大队(山东省地矿工程勘察院)，山东 济南 250014；2.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

0 引言

国内外探测岩溶塌陷常用的地球物理方法包括：常规电法勘探、地质雷达法、重力测量方法、地震勘探方法等。高密度电法勘探是目前应用效果最好的电阻率法，具有较高的分辨能力。地质雷达具有分辨率高、施工快速方便以及适应能较强等特点，在地质地球物理条件适宜的情况下，成为岩溶塌陷探测的常规手段之一。重力勘探方法最初应用于区域地质构造、金属矿和非金属矿勘探，随着微伽级高精度重力仪的诞生，重力测量精度大幅提高，其分辨能力和对微弱异常的识别能力大大提高，已经成功应用于溶洞、地下空洞调查。瞬变电磁法、电磁波CT、多道瞬态瑞雷波技术以及可控源音频大地电磁法等，在岩溶塌陷勘察中得到了良好的应用效果。

反射地震勘探技术是依据地下介质在物性差异界面上地震波的动力学以及运动学特征，探测地层或者基岩的埋深及其速度结构，具有分辨率高、探测结果可靠等特点，在岩溶塌陷勘察中具有良好的应用前景。本文选择浅层地震勘探反射波法对溶塌陷区进行精细探测，取得良好的应用效果。

1 浅层地震勘探反射波法时间剖面中岩溶塌陷的识别

岩溶发育首先应具有可溶性岩层，包括碳酸盐类岩石(如白云岩、石灰岩)、硫酸盐类岩石(如石膏)以及卤素类岩石(如岩盐)等，其次还应具备溶解力和足够流量的水，同时还要有地表水以及地下水的运移通道。岩溶发育区第四系地层、基岩和溶洞、裂隙以及充填黏土、水等介质的溶洞、裂隙之间，其密度和地震波传播速度具有明显差异，形成多个波阻抗界面，地震波通过时会形成不同特征的反射波信号。其异常特征如下：

(1)反射波出现半波损失，地震波相位反转。

式中：ρ1、V1分别为上地层的密度和地震波传播速度；ρ2、V2分别为下地层的密度和地震波传播速度；正常地层层序中，下伏岩层的密度和地震波传播速度均大于上地层，此时反射系数为正值。当地层中存在岩溶或者裂隙发育时，其密度以及地震波传播速度低于围岩，反射系数为负值，地震剖面上岩溶塌陷处地震波会出现相位反转、相位不连续现象。

(2)反射波同相轴错断、反射凌乱或者出现空白反射。受重力作用的影响，地层中存在岩溶或者裂隙时，不完整岩层区域下沉，致使反射波同相轴出现错断现象，岩溶发育区域地层层序规律遭到破坏，出现杂乱无章的反射波。若存在一定规模的空洞，地震波经过时会出现空白反射区域。

(3)振幅变化特征。地层中岩溶或者裂隙发育程度较低时，岩溶发育区域为黏性土、碎石等充填，地震波经过时，能量衰减迅速，致使反射波能量变弱，表现为反射波振幅变小。地层中存在充填空气的空洞时，其反射系数可视为-1，地震波经过时，几乎没有透射波能量损失，相对于围岩反射波特征，其反射能量加强，表现为反射波振幅变大。

(4)绕射波。地层错动造成的棱角点、地层尖灭点、洞穴等，往往都能满足绕射波的形成条件。绕射波时距曲线的极小值点位于绕射点的正上方，且动校正后绕射波时距曲线仍然是双曲线。

(5)第四系地层与基岩分界面反射波同相轴特征。受地下水冲刷作用影响，溶塌陷区内第四系地层中黏性土、碎石等会随地下水运移，第四系地层底界面，反射波往往会出现空白反射或者弱反射现象。

2 不同地质条件下岩溶塌陷区的浅层反射地震勘探

岩溶塌陷区溶洞或者裂隙的规模不大，为了提高分辨率和探测成果的可靠性，地震反射波勘探中一般选择高频检波器，宽频接收，采用小道间距和小炮间距。为了尽可能减少复杂地形的影响，多采用小排列接收。下面就岩溶塌陷区中地震反射波法勘察实例，讨论地震反射波法在岩溶塌陷区的应用效果。

2.1 基岩埋深浅情况下的岩溶塌陷区勘察

本节给出的是山东省济南市岩溶塌陷区地震反射波法勘探实例，塌陷区上覆第四系地层，厚度10余米，下伏奥陶系灰岩、泥灰岩，厚度数百米。这种地质条件下开展浅层反射波地震勘探的难点是：第四系地层埋深浅，浅部的有效信号容易被震源附近强烈的干扰波覆盖，很难区分基岩界面顶板埋深。针对此情形，采用2 m道间距，4 m偏移距的接收方式，16次水平覆盖观测系统[1]。

根据野外采集的数据，通过一系列数据处理流程，得到了反射波组清晰的时间剖面图。岩溶塌陷区地震勘探结果如图1所示，反射波组中可以划分4个反射层位，分别标注T1～T4。

图1 济南市岩溶塌陷区地震反射波法勘探结果

可以看出T1～T4反射层位在68～95 m范围内出现明显异常变化，表现在T1层位出现空白反射或者反射能量较弱，T2～T4层位出现相位反转、同相轴错断以及反射凌乱等现象，T2反射层位能量减弱，T4反射层位能量增强，推断解释此范围内岩溶发育，并在78 m处布置验证钻孔。反演计算78 m处，T1层位埋深约为12.7 m，T2层位埋深约为34.5 m，T3层位埋深约为46.8 m。

验证孔揭示，第四系地层埋深12.5 m，34.5 m为条带状灰岩和砾屑灰岩分界面，46.5 m以下为中风化灰岩。其中17.2～18 m发育岩溶空洞，21～23 m、27～33.5 m广泛发育蜂窝状溶孔，部分钻孔揭露结果如图2所示。浅层地震勘探反射波法推测结果与钻孔揭露结果吻合程度较好，浅层地震勘探反射波法在基岩埋深较浅情况下的岩溶勘察中具有良好的应用效果。

图2 济南市岩溶塌陷区钻探揭露结果

2.2 岩溶弱发育情况下的岩溶塌陷区勘察

本实例的工作区位于山东省济宁市，工作区上覆第四系地层，厚度数十米，下伏奥陶系灰岩、白云质灰岩以及泥质灰岩，厚度数百米，岩溶发育程度较弱。这种地质条件下进行浅层地震反射波法勘探需要重点考虑横向分辨能力和纵向分辨能力，以区分规模较小的溶洞和裂隙[2]。

横向分辨能力取决于菲涅尔带半径R的大小，通常水平分辨能力为菲涅尔带的两倍，

式中：h为界面埋深；v为该界面以上的地层速度；f为地震子波的主频。

纵向分辨力指的是在垂直方向上能够分辨的岩性单元的最小厚度。纵向分辨能力可以用时间域分辨率或者厚度分辨率两种方式表示。理论上讲，当地震子波为零相位子波时，地震勘探剖面中时间分辨率TR和厚度分辨率HR表示为：

式中：v为该界面以上的地层速度；f为地震子波的主频。纵向分辨力取决于激发地震子波频率和传播速度，频率越高、速度越小，其纵向分辨能力越高。

针对该工作区，采用全排列接收方式，2 m道间距，18次水平覆盖观测系统。图3所示为该岩溶塌陷区地震反射波法时间剖面图。反射波组中可以划分3个反射层位，分别标注T1～T3。时间剖面中可以看到，T1、T2在82～123 m范围内出现明显异常变化，表现为T1反射层位出现弱反射并相位反转，T2反射层位出现错动和相位变化等现象，而T3反射层位连续可追踪。推断解释此范围内岩溶发育，并在105 m处布置验证钻孔。反演计算105 m处，T1层位埋深约为36.0 m，T2层位埋深约为58.3 m，T3层位埋深约为73.1 m。

验证孔揭露，第四系地层埋深36.1 m，58.2 m为条带状灰岩和砾屑泥灰岩分界面，72.5 m以下为中风化灰岩。其中42.7 m和59.1 m发育岩溶空洞，角砾状泥灰岩芯中广泛发育溶腔、蜂窝状溶孔。浅层地震勘探反射波法推测结果与钻孔揭露结果吻合程度较高。

3 结语

文章通过浅层地震勘探反射波法在岩溶塌陷勘察中的应用实例，给出了不同地质条件下，浅层地震勘探反射波法在岩溶塌陷勘察中的应用效果，分析认为浅层地震勘探反射波法在岩溶塌陷勘察中具有良好的应用前景。另外岩溶塌陷区规模不一、发育程度不同，尤其是溶洞、溶孔以及裂隙规模较小，浅层地震勘探反射波法很难分辨。岩溶塌陷区地层倾角较大时，也会对浅层地震勘探反射波法勘探效果造成不良影响。