城市隱伏活斷層探測中采集參數的研究

秦晶晶　酆少英　左　瑩　魏學強

1　中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號，450002

城市隱伏活斷層探測中采集參數的研究

秦晶晶1酆少英1左瑩1魏學強1

1中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號，450002

摘要：根據波動方程有限差分原理，通過設定不同的觀測系統參數，對淺層活斷層模型進行正演模擬。同時結合實際資料，討論適合于淺層城市活斷層探測的采集參數。結果表明，采用小道距、小炮距以及適合于地震主頻的數據采集方法可以得到高質量的淺層地震資料，有利于提高隱伏活斷層上斷點的定位精度。

關鍵詞：城市活斷層；正演模擬；斷層上斷點；高分辨率

活斷層探測一般采用地震反射波勘探方法[1-2]，該方法在部分城市的隱伏活動斷層探測中已取得很好的探測成果[3]。活斷層地震勘探的難點在于：1)勘探目標深度較淺，地層之間波的阻抗差異較小，加之第四紀松散沉積物對有效信號強烈吸收，導致淺部地層的反射信號較弱；2)城市建設對淺表層改造較為嚴重，地表的不均勻性影響了反射波組的橫向連續性，進而影響對地震活斷層上斷點的解釋[4-5]。活斷層探測最主要的判斷指標就是隱伏斷裂上斷點的位置及埋深，而城市活斷層地震資料采集參數的選擇是獲取高品質地震資料以及影響上斷點解釋精度的重要因素[6]。

正演模擬技術在煤田小構造、油氣勘探、陷落柱以及火山巖發育等特殊地質體的識別中得到廣泛應用，但在隱伏活斷層勘探方面應用較少[7]。本文通過模型正演模擬以及實際資料應用，論證適合于城市淺層地震勘探的采集參數，為城市活斷層探測的前期工作提供依據。

1正演模擬技術

正演模擬技術一方面可以幫助人們直觀地認識地震波在地層中的傳播規律，使抽象的地震反射波既具有地球物理意義，又具有明確的地質含義。另一方面，將地震記錄和波場快照有機結合，容易對目的層進行定位，可直接判定成像結果的好壞，為地震資料解釋提供更為直觀、可靠的參考依據。

2基于正演模型的觀測系統參數分析

野外地震觀測系統參數主要包含地震波主頻、道間距、炮間距、排列長度和覆蓋次數等，這些參數對獲取高分辨率的地震資料起著非常重要的作用[8]。通過大量正演模擬試驗分析發現，地震波主頻、道距和炮距是影響城市活斷層上斷點判斷的關鍵因素。

2.1模型建立

城市活斷層探測的目的層埋深一般較淺，約為幾十m至幾百m，且上斷點斷距也較小。在建立地質模型時，為使模型更接近實際情況，設計的地層埋深較淺，且為了減少其他因素對分析結果的影響，將模型進行簡化，地層均為水平層狀介質(圖1)。

圖1　地質模型Ⅰ和地質模型ⅡFig.1　The geological model Ⅰ and model Ⅱ

模型Ⅰ：設計3層地層，地層速度從上而下依次為700 m/s、900 m/s、1 250 m/s、1 500 m/s；地層埋深依次為20 m、40 m、80 m；在模型中存在3個斷點，斷距分別為2 m、3 m、4 m。地質模型Ⅰ如圖1(a)所示。

模型Ⅱ：設計6層地層，地層速度從上而下依次是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；在模型中設計6個斷點，斷距分別是4 m、5 m、9 m、19 m、33 m、46 m。地質模型Ⅱ如圖1(b)所示。

2.2結果分析

運用Tesseral全波場正演軟件，采用波動方程有限差分原理正演模擬，在獲得的單炮記錄上分別進行直達波切除、FK濾波、抽共中心點道集、動校正和疊加等處理，得到最終的疊加剖面。

2.2.1主頻分析

基于地質模型Ⅰ，分別設計不同主頻(30 Hz、40 Hz、50 Hz、60 Hz、70 Hz、90 Hz)的雷克子波進行模擬。在正演模擬過程中，為避免邊界效應的影響，將計算寬度左、右各擴大500 m。為兼顧計算方法的穩定和抑制頻散的產生，計算網格選擇1 m。觀測系統參數為：采用中點對稱放炮方式，道間距為1 m，180道接收，炮間距9 m，覆蓋次數為10次，采樣間隔0.5 ms，記錄長度0.5 s。

從圖2可以看到，子波主頻較小(30 Hz、40 Hz)的偏移剖面，斷層處反射波同相軸僅出現微小扭曲，有的甚至分辨不出斷層，如30 Hz剖面中第3層反射波同相軸基本上呈近水平形態。隨著頻率的增大，斷層的分辨能力也逐漸提高，在子波主頻(60～90 Hz)的偏移剖面上，可以很清楚地看到斷層處反射波出現明顯的扭曲，斷點清晰程度也相應提高。然而，在90 Hz偏移剖面上，雖然對斷層的反映較清晰，但出現了假頻信息，反射波能量的均衡性也明顯不如60 Hz偏移剖面好。所以，在提高淺部斷層分辨率時不能盲目提高地震波主頻，只要達到勘探要求即可。在后續的其他參數對比中，地震子波均選擇60 Hz主頻。

圖2　不同主頻大小的偏移剖面Fig.2　The migrated section of different frequency

2.2.2道距分析

基于地質模型Ⅱ，分別設計不同道距參數(1 m、2 m、3 m、5 m)進行正演模擬。為避免邊界效應的影響，將計算寬度左、右各擴大800 m；差分網格1 m。觀測系統參數為：采用單邊放炮方式，96道接收，覆蓋次數8次，采用60 Hz雷克子波頻率進行震源激發，采樣間隔0.5 ms，記錄長度0.5 s。

從圖3可以看出，采用不同的道間距獲得的淺層資料信息是截然不同的。很明顯，道間距為1 m和2 m的疊加剖面對上斷點的識別能力以及淺部地層的連續性均明顯好于道間距3 m和5 m的剖面。3 m道距剖面的淺部地層雖然橫向連續性較差，但還能隱約判斷出有斷層存在，但對斷層位置的判斷精度稍差。而采用5 m道距接收的疊加剖面，由于淺層反射波信息缺失，剖面中可分辨的最淺反射波在80 ms處，對應第3層反射界面。分析可得，不同道距的地震剖面所能探測的深度范圍以及對上斷點判斷的精度是不一樣的;小道距接收更有利于得到淺層反射信息，同時提高了對淺部斷層上斷點的識別能力和地震資料的解釋精度。

圖3　不同道距參數的疊加剖面Fig.3　The stacked section of different group interval

2.2.3炮距分析

基于地質模型Ⅱ，分別設計不同排列長度(96 m、192 m、480 m)進行正演模擬。根據d=NS/2n可得，在保證道距和覆蓋次數一定的情況下，改變炮距，相應的排列長度也發生改變。觀測系統參數為：采用單邊激發方式，道距為2 m，覆蓋次數8次，炮距分別為6 m、12 m、30 m，接收道數分別為48道、96道、240道，采用子波主頻為60 Hz的雷克子波進行震源激發，采樣間隔0.5 ms，記錄長度0.5 s。

從圖4可以看出，炮距為6 m和12 m的疊加剖面對淺部地層的小斷層識別能力明顯好于大炮距剖面，且淺部地層反射波同相軸的連續性也較好。而炮間距為30 m的剖面，由于淺層遠道距處動校正拉伸較嚴重，淺部有效信息損失較多，導致第1層和第2層的反射波同相軸連續性較差，很難分辨出斷層的具體位置。30 m炮距的疊加剖面中能夠分辨的最淺反射波走時約60 ms，對應模型中的第2層界面。經分析可得，在道距和覆蓋次數一定的情況下，小炮距激發的疊加剖面對斷層的上斷點反映效果較好。

圖4　不同炮距的疊加剖面Fig.4　The stacked section of different shot interval

3實際資料驗證

研究區新生代以來的沉積層內部存在多組反射能量較強的反射地層，且第四系底界為一個物性差異較好的分界面。勘探區內第四紀覆蓋層厚度達800～1 100 m，內部存在多條第四紀隱伏活動斷裂[9]。

3.15 m道距地震剖面特征

在垂直目標斷層走向上布設一條長為900 m、道距為5 m接收的地震測線。觀測系統參數為：道間距5 m，最小偏移距20 m，接收道數72道，覆蓋次數12次，炮距15 m，采樣間隔0.5 ms，記錄長度1 s，使用固有頻率60 Hz的檢波器接收地震波信號。

圖5顯示，雙程走時600 ms以內可識別多組反射波同相軸，且圖中揭示的斷裂構造特征非常清楚，斷層幾乎錯斷了剖面上所有的反射波同相軸，可推斷該斷層規模很大。此外，斷層的上斷點已錯斷到T1反射界面，對應埋深約42～45 m，其斷距約20 m。在T1反射界面至地表之間的地層反射較弱，剖面上幾乎識別不出可連續追蹤的反射波同相軸，僅看到個別斷斷續續的反射波組，并伴有一些斜干擾出現。總體來看，在5 m道距的疊加剖面上，錯段地層的上斷點埋深只能確定在42～45 m左右。

圖5　5 m道距反射波疊加剖面圖Fig.5　The stacked section of seismic reflector in 5 m group interval

3.21 m道距地震剖面特征

觀測系統參數為：測線長度600 m，道間距1 m，最小偏移距4 m，接收道數60道，覆蓋次數為12次，炮距2.5 m，采樣間隔0.25 ms，記錄長度0.5 s。為壓制低頻干擾、提高反射信號主頻，使用了100 Hz的高頻檢波器進行信號接收。

從圖6可以看出，200 ms以上淺部地層信息與圖5相比有了很大改善，可多分辨出3組比較清晰的反射波同相軸T01～T03，且斷層在淺部地層的錯斷現象反映也非常清楚。在1 m道距疊加剖面上進行資料解釋，斷層上斷點錯斷到T02反射界面，經過時深轉換，對應的斷點埋深約12～15 m，其斷距約2～3 m。

圖6　1 m道距反射波疊加剖面圖Fig.6　The stacked section of seismic reflectorin 1 m group interval

為驗證不同道距探測結果的可靠性，與淺層地震測線重合布設1條跨斷層鉆孔聯合地質剖面。剖面結果揭示，該隱伏斷裂確實存在，且確定的深度由深到淺依次為68.17 m、43.75 m、20.33 m和13.04 m，斷距依次為25.7 m、20.34 m、9.66 m和2.25 m。分析對比可知，1 m道距地震剖面揭示斷層上斷點錯斷到T02反射地層，埋深為12～15 m，斷距為2～3 m；鉆孔地質剖面揭示斷層上斷點深度為13.04 m，斷距為2.25 m，兩者吻合較好。

研究資料顯示，炮距15 m激發、5 m道距72道接收的疊加剖面上，100 ms以內的淺部反射波信息已不能分辨，能可靠分辨的斷層上斷點埋深為42～45 m處。而采用炮距2.5 m激發、1 m道距60道接收的疊加剖面，100 ms以內的反射波信息明顯增多，斷層上斷點埋深可上延解釋到12～15 m，且解釋結果與鉆孔地質剖面成果吻合較好。綜上表明，采用小道距、小炮距的工作方法，有利于獲取更多的淺部地層反射波信息，且對隱伏活斷層上斷點的解釋精度更高。

4結語

本文通過對理論模型進行正演模擬，設定不同觀測系統參數，根據正演記錄的處理結果，可直觀快速地對比不同參數對成像結果的影響，為后期的實際資料運用奠定基礎。結合實際活斷層探測資料的結果表明，在進行淺層城市活斷層勘探時，采用小道距、小炮距和合適地震波主頻的工作方法，可獲取高質量的淺層波阻抗界面反射波，進而提高隱伏斷裂上斷點判斷的精度。

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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

第一作者簡介：秦晶晶，工程師，主要從事活斷層探測研究，E-mail：453556229@qq.com。

DOI：10.14075/j.jgg.2016.07.017

文章編號：1671-5942(2016)07-0635-04

中圖分類號：P315

文獻標識碼：A

項目來源：中國地震局地球物理勘探中心青年基金(YFGEC2014002)。