淺層二維地震勘探技術(shù)在鄂爾多斯中北部地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

摘" "要：淺部地層地質(zhì)構(gòu)造條件對(duì)地表建筑物選址及地下鉆探工程意義重大。針對(duì)鄂爾多斯中北部某新能源項(xiàng)目選址及工程建設(shè)問題，對(duì)淺層地下基巖面、硬質(zhì)巖及斷層分布開展二維地震勘探。在地形地貌及沉積地層等地質(zhì)條件分析基礎(chǔ)上，選定地震測(cè)線布置范圍；基于干擾波調(diào)、地震采集測(cè)試及小折射淺層速度分析結(jié)果，確定目標(biāo)地層深度并進(jìn)行地震觀察系統(tǒng)設(shè)計(jì)；在高精度地震資料處理基礎(chǔ)上，進(jìn)行地震地質(zhì)剖面解釋追蹤基巖界面并識(shí)別巖性和斷層。初至波層析反演對(duì)高速異常體的識(shí)別結(jié)果，驗(yàn)證了地質(zhì)剖面解釋的合理性，為場(chǎng)址選區(qū)及工程建設(shè)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：二維地震勘探；鄂爾多斯；基巖界面；硬質(zhì)巖；斷層檢測(cè)

在地表建筑物選址及地下鉆探工程實(shí)施過程中，區(qū)域地形地貌及淺部地層基巖界面深度、硬質(zhì)巖及斷層分布等地質(zhì)構(gòu)造條件是非常重要的考量因素。淺部地層常規(guī)地球物理探測(cè)技術(shù)主要包括高密度電法、大地電磁法及地震反射波法等。高密度電法通過在地下埋設(shè)大量電極，測(cè)量電極間的電位差來推斷地下巖層的電阻率分布情況，在城市軌道交通、基巖面起伏及活動(dòng)斷裂體識(shí)別等工程勘探領(lǐng)域已進(jìn)行了應(yīng)用研究，但目前該方法的縱橫向分辨率通常低于地震勘探[1-4]。大地電磁法利用地層電導(dǎo)率差異引起的電磁場(chǎng)變化特征來推斷地下介質(zhì)性質(zhì)，在地下巖性體和裂縫識(shí)別及地?zé)崽綔y(cè)等研究方面已取得了一些進(jìn)展，但存在易受電磁干擾、淺部地層測(cè)量盲區(qū)較大等問題[5-8]。地震反射波勘探利用地層巖性波阻抗差距進(jìn)行探測(cè)，是目前地層探測(cè)深度最深、對(duì)地層、巖性及斷裂體識(shí)別效果最好、技術(shù)最成熟的勘探方法，尤其是三維地震反射波勘探技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煤炭、石油、水等眾多戰(zhàn)略資源勘探開發(fā)和智慧城市空間及工程建設(shè)等領(lǐng)域[9-16]，但三維地震勘探方法也面臨著軟硬件要求高、施工周期長(zhǎng)、信號(hào)采集處理解釋成本高等限制條件，僅限于重點(diǎn)區(qū)域探測(cè)。

內(nèi)蒙古庫(kù)布齊沙漠鄂爾多斯中北部新能源基地目前勘探程度較低，周邊有零星村落及廠區(qū)分布，存在輸電設(shè)施等較強(qiáng)電磁干擾、不利于開展大規(guī)模三維地震勘探等環(huán)境問題。綜上在野外踏勘、淺層鉆探等地質(zhì)構(gòu)造分析基礎(chǔ)上，優(yōu)選目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行二維反射波地震勘探，對(duì)地下基巖面、硬質(zhì)巖及斷層分布等方面進(jìn)行初步識(shí)別和預(yù)測(cè)，為后續(xù)重點(diǎn)區(qū)域研究及廠區(qū)選址和地下空間鉆探工程提供參考。

1" 工程場(chǎng)地地質(zhì)條件及地震測(cè)線布置

工程場(chǎng)地位于鄂爾多斯盆地北緣伊盟隆起北側(cè)，地表溝壑縱橫，地勢(shì)起伏較大，地表發(fā)育少量植被，場(chǎng)址區(qū)地形整體東北低西南高，測(cè)線段覆蓋范圍內(nèi)高程約1 150～1 230 m。測(cè)區(qū)范圍內(nèi)無農(nóng)田和村莊，場(chǎng)址區(qū)內(nèi)零散分布山間小徑，交通較不便利。地表多為第四系黃土覆蓋，厚度較小，約0～20 m，場(chǎng)址區(qū)采石場(chǎng)可見基巖出露。場(chǎng)址區(qū)橫向發(fā)育極不穩(wěn)定，屬構(gòu)造復(fù)雜區(qū)，總體而言，據(jù)沉積物成因類型及巖性特點(diǎn)，可將勘探深度范圍內(nèi)的地層自上而下劃分為3個(gè)主層：第四系黃土層、三疊系砂泥巖層、震旦系石英巖層。目標(biāo)區(qū)內(nèi)地層成層性較明顯，第四系覆蓋層內(nèi)存在不同波阻抗差異的巖性差異體，特別是第四系底部多為礫石層，對(duì)地震波散射作用較強(qiáng)，局部厚層卵礫石的吸收散射影響導(dǎo)致反射波不清晰或不易形成反射波，給第四系界面識(shí)別或能量的向下傳播帶來困難；但第四系與下伏基巖存在較大的彈性波速差，地震波阻抗差異很明顯，可形成能量較強(qiáng)的反射波。

據(jù)內(nèi)蒙古庫(kù)布齊沙漠鄂爾多斯中北部新能源基地項(xiàng)目壓縮空氣儲(chǔ)能部分選址及地下空間開挖施工需要，本次主要針對(duì)目標(biāo)區(qū)工作范圍內(nèi)開展淺層人工地震反射探測(cè)。從圖1中可看出，CK01、CK02分別表示兩個(gè)鉆孔位置，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造走向等條件，在目標(biāo)區(qū)范圍內(nèi)布設(shè)3條測(cè)線（圖1藍(lán)色箭頭指示施工方向），其中L11為主測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度2 642 m，設(shè)計(jì)垂直構(gòu)造走向；L12和L13為輔助測(cè)線，測(cè)線長(zhǎng)度分別為1 150 m和1 368 m，設(shè)計(jì)沿構(gòu)造走向。

2" 地震勘探采集參數(shù)設(shè)置及資料處理

與常規(guī)油氣勘探為目標(biāo)的中深層地震勘探相比，研究區(qū)淺部地層勘探在目標(biāo)地層巖性、噪聲成分影響、地層分辨率等方面有顯著差異。首先，淺部地層因地震波傳播時(shí)間短，富含更多高頻信息，有益于提高淺層小尺度地質(zhì)異常體識(shí)別精度，因此地震采集和處理過程中如何有效保留高頻成分是重點(diǎn)；其次，淺層勘探中為提高勘探精度通常采用小道間距采集，同時(shí)為控制成本考慮，最大偏移距也常低于深部勘探，導(dǎo)致更易受震源面波干擾；此外，研究區(qū)附近較為頻繁的人類活動(dòng)將導(dǎo)致地震記錄中產(chǎn)生更多噪聲干擾，且淺層中新生界較新地層部分區(qū)域巖石疏松、物質(zhì)成分變化不大，波阻抗差異較小，界面弱反射極易被干擾噪聲掩蓋。據(jù)淺層地震勘探特點(diǎn)，在地震數(shù)據(jù)采集與處理過程中，需采取有針對(duì)性措施，以壓制干擾噪聲并記錄和恢復(fù)地震記錄中的高頻有效成分，提高資料的信噪比和分辨率。

2.1" 地震采集測(cè)試與參數(shù)設(shè)置

為獲得適合測(cè)區(qū)淺層地震采集參數(shù)，在全面進(jìn)行地震條件調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇代表性地段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作。在干擾波調(diào)查階段，針對(duì)測(cè)線布設(shè)靠近馬路、鉆機(jī)、高壓線路等人類活動(dòng)噪聲干擾區(qū)域，加強(qiáng)施工地段警戒及協(xié)調(diào)，同時(shí)盡量避開大風(fēng)天氣等風(fēng)噪干擾時(shí)間段進(jìn)行采集。針對(duì)淺層為第四系黃土覆蓋區(qū)地表強(qiáng)降速帶影響問題，采用落錘震源激發(fā)地震波，采集過程中確保激發(fā)點(diǎn)均勻，用定點(diǎn)頻率掃描法，對(duì)原始地震記錄進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并采用多次覆蓋技術(shù)以抑制噪聲干擾。

從圖2可看出，主要有面波、淺層折射波、高頻機(jī)械震動(dòng)線性干擾和野值等干擾。其中，面波發(fā)育且能量強(qiáng)，其頻率范圍為10～30 Hz，視速度為100～800 m/s，其分布范圍為整個(gè)場(chǎng)址區(qū)；高頻機(jī)械震動(dòng)線性干擾分布范圍廣且能量較強(qiáng)，在單炮記錄上其呈現(xiàn)疊瓦狀分布；風(fēng)噪等隨機(jī)干擾在大偏移距地震道上更為明顯，進(jìn)一步掩蓋了遠(yuǎn)道弱能量地震信號(hào)，不利于后續(xù)地震道疊加分析。

在接收道數(shù)和偏移距選擇測(cè)試方面，圖3-a和圖3-b分別為100道接收、等偏移距間隔、最大偏移距200 m（淺基巖面）和150道接收、等偏移距間隔、最大偏移距300 m（深基巖面）試驗(yàn)單炮記錄。從圖3可看出，基巖面多組折射波出現(xiàn)在20～320 ms，有效反射波隱藏于折射波組內(nèi)，圖3-b相較于圖3-a，折射波組與反射波組信息更為明顯。據(jù)鉆孔資料比對(duì)，采集試驗(yàn)結(jié)果表明，采用中點(diǎn)激發(fā)、120道以上接收、偏移距間隔4 m內(nèi)，最大偏移距240 m以上可滿足目的層勘探需求。

了解淺層速度分層情況，有利于為地震資料處理提供可靠的靜校正及速度分析依據(jù)，設(shè)計(jì)采用淺層折射波勘探方法進(jìn)行淺層速度調(diào)查。采用沿測(cè)線左右兩側(cè)分別進(jìn)行錘擊方式激發(fā)地震波，考慮到地震折射波的近偏移距屏蔽效應(yīng)，在檢波器布置方面采取偏移距間隔中間大、兩頭小的原則進(jìn)行接收。從圖4可看出，共布置24個(gè)檢波器進(jìn)行接收，檢波器接收線總長(zhǎng)設(shè)置為90 m，沿測(cè)線方向從左到右檢波器間隔分別為3 m-2 m-2 m-2 m-2 m-3 m-3 m-3 m-5 m-5 m-10 m-10 m-10 m-5 m-5 m-3 m-3 m-3 m-2 m-2 m-2 m-2 m-3 m。地震采樣率0.5 ms，記錄長(zhǎng)度1 s。

圖5為小折射解釋結(jié)果，表明左支有兩層折射速度層2 490 m/s和4 891 m/s，右支有單層折射速度層6 571 m/s，測(cè)區(qū)內(nèi)左右支速度極不對(duì)稱，意味著折射界面（基巖面）橫向變化較大，基巖面埋深約10 m，和鉆孔CK01揭露結(jié)果一致。

結(jié)合上述測(cè)試結(jié)果，本次野外現(xiàn)場(chǎng)勘探工作采用Smartsolo智能無線節(jié)點(diǎn)式地震采集系統(tǒng)，5Hz自然頻率檢波器進(jìn)行二維地震采集，激發(fā)方式為中點(diǎn)放炮200 kg重錘激發(fā)。觀察系統(tǒng)設(shè)置見表1，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析表明，該觀測(cè)系統(tǒng)能適當(dāng)壓制激發(fā)震源附近的強(qiáng)烈干擾波、提高分辨率和信噪比，確保勘探成果的高可靠性和高分辨率，保證主要目的層有效波組的連續(xù)對(duì)比追蹤和目的層構(gòu)造特征的成像效果。

2.2" 數(shù)據(jù)處理方法

資料處理是地震勘探工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，將野外采集的原始數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)處理，為地質(zhì)解釋提供依據(jù)。地震資料處理的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)是去噪和成像。在噪聲去除方面，針對(duì)面波、高頻機(jī)械噪聲以及風(fēng)噪等隨機(jī)干擾問題，因地震資料目的層有效頻帶在10～80 Hz，噪聲干擾幾乎全頻帶分布，考慮有效波與干擾波的視速度差異去除干擾，在疊前地震道集上采用自適應(yīng)面波壓制、連續(xù)小波變換疊前規(guī)則干擾壓制、分頻去噪異常噪聲壓制等組合去噪辦法進(jìn)行壓制。從圖6可看出，去噪后面波及線性干擾得到很好壓制，有效反射波信號(hào)得到明顯增強(qiáng)。

成像方面，目標(biāo)區(qū)地表起伏不平、近地表松散地層吸收衰減導(dǎo)致原始地震記錄的初至出現(xiàn)不規(guī)則的時(shí)差變化、反射波同相軸的雙曲線形態(tài)出現(xiàn)畸變，影響疊加效果。對(duì)淺層地震反射資料來說，因獲得的反射波頻率高、周期短，近地表不均勻性對(duì)反射波同相軸疊加的影響會(huì)更大。從圖7可看出，經(jīng)靜校正處理后因地表起伏及降速帶的影響得以補(bǔ)償，初至連續(xù)性增強(qiáng)。

在球面擴(kuò)散補(bǔ)償基礎(chǔ)上，結(jié)合地表一致性振幅補(bǔ)償?shù)玫礁行У恼穹畔ⅰＴ诖嘶A(chǔ)上，為進(jìn)一步提高地震資料處理的分辨率，采用自適應(yīng)地表一致性反褶積和預(yù)測(cè)子波反褶積串聯(lián)的辦法，進(jìn)行時(shí)變譜白化處理以提高地層分辨能力。從圖8紅圈可看出，經(jīng)反褶積處理后地震資料分辨率明顯提高，地震資料中部分高頻信息得以更好體現(xiàn)。

處理過程主要采用多道傾角濾波和隨機(jī)噪聲衰減的辦法，前者壓制剖面上線性噪聲，后者壓制剖面上的隨機(jī)噪聲，以達(dá)到提高剖面信噪比的目的。從圖9可看出，去噪后剖面信噪比進(jìn)一步提高，層位對(duì)比解釋更加可靠。

3" 地震勘探資料解釋

地震勘探成果主要包括兩個(gè)方面：層位和斷層，并用地震地質(zhì)剖面圖來展示這兩個(gè)要素內(nèi)容，包含基巖面空間展布狀態(tài)、斷層位置及軟硬巖的空間分布特征。基巖面的空間展布狀態(tài)可通過地震剖面的波組標(biāo)定完成，斷層也可通過地震剖面上的波組進(jìn)行圈識(shí)，軟硬巖除可通過波組特征進(jìn)行標(biāo)識(shí)外，還可結(jié)合初至折射波速度層析反演資料處理結(jié)果進(jìn)行圈識(shí)。

3.1" 地震地質(zhì)剖面解譯

圖10為L(zhǎng)11測(cè)線地震反射波時(shí)間解釋剖面及經(jīng)地震偏移速度場(chǎng)轉(zhuǎn)化得到的深度域地質(zhì)剖面。從時(shí)間剖面上可識(shí)別出1～2層反射地震相，整條剖面基巖面底界反射較明顯，第四系黃土與下伏三疊系地層地震相差異顯著，呈假整合接觸關(guān)系，能夠連續(xù)、穩(wěn)定追蹤；基巖內(nèi)地層內(nèi)部反射地震相整體成層性一般，能量弱，頻率低，上部能看到一些地層反射波出現(xiàn)；深部地層內(nèi)地震相反射能量較弱，連續(xù)性和信噪比較差，三疊系底界由于埋藏過深使得底界反射不明顯，難以有效連續(xù)追蹤。由于該地震剖面揭示的構(gòu)造特征異常復(fù)雜，且橫向速度變化具不均衡性，在該測(cè)線控制范圍存在較多斷裂。經(jīng)對(duì)基巖界面及以下地層反射波能量的連續(xù)追蹤和標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)5處剖面斷層特征的反映。

圖11為L(zhǎng)12測(cè)線剖面解釋結(jié)果，在時(shí)間剖面上可識(shí)別出1～2層反射地震相，整條剖面基巖面底界反射比較明顯，第四系黃土與下伏三疊系基巖地震相差異顯著，呈假整合接觸關(guān)系；基巖地層內(nèi)部反射地震相整體成層性一般，能量弱，頻率低，上部能看到部分地層反射波；深部地層地震相反射能量較弱，連續(xù)性和信噪比較差，難以辨別層狀反射，三疊系底界由于埋藏過深使得底界反射不明顯，難以進(jìn)行有效連續(xù)追蹤。由于該地震剖面揭示構(gòu)造特征較復(fù)雜，且橫向速度變化具不均衡性，在該測(cè)線控制范圍存在一定斷裂。經(jīng)過對(duì)基巖界面及以下地層反射波能量的連續(xù)追蹤和標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)2處剖面斷層特征的反映。

圖12為L(zhǎng)13測(cè)線剖面解釋結(jié)果，從時(shí)間剖面上可識(shí)別出1～2層反射地震相，整條剖面基巖面底界反射較明顯，第四系黃土與下伏三疊系基巖地震相差異顯著，呈不整合接觸關(guān)系；基巖地層內(nèi)部反射地震相整體成層性一般，能量弱，頻率低，上部能看到部分地層反射波；深部地層內(nèi)地震相反射能量較弱，連續(xù)性和信噪比較差，基本無層狀反射，三疊系底界由于埋藏過深使得底界反射不明顯，難以連續(xù)追蹤。基巖地層傾角變化較劇烈，基巖界面埋深在測(cè)線上變化起伏較大，地層整體中間高兩端低，測(cè)線范圍內(nèi)局部有起伏。地震剖面揭示的構(gòu)造特征較復(fù)雜，且橫向速度變化具不均衡性，存在較多斷裂。經(jīng)過對(duì)基巖界面及以下地層反射波能量的連續(xù)追蹤和標(biāo)定，發(fā)現(xiàn)4處剖面斷層特征的反映。

3.2" 初至波層析反演

勘查目的主要是解決測(cè)線范圍內(nèi)可能存在的斷裂構(gòu)造識(shí)別問題，更重要的是區(qū)分測(cè)線范圍內(nèi)高速體（硬巖：石英巖和片麻巖）和相對(duì)低速體（軟巖：砂泥巖）的空間分布范圍。采取基于聲波方程的折射波層析成像反演方法，在地震記錄中拾取初至信息，據(jù)射線追蹤結(jié)果計(jì)算射線旅行時(shí)和路徑信息進(jìn)行迭代反演，以獲取淺地層速度信息。在反演影響因素方面，首先，作為反演走時(shí)的目標(biāo)函數(shù)，初至拾取準(zhǔn)確是關(guān)鍵；其次，在地震道偏移距選擇上，考慮研究區(qū)近道資料受面波噪聲干擾較大且存在折射波盲區(qū)、遠(yuǎn)道資料信噪比較低的情況，綜合選取合理的，用于層析反演的偏移距范圍為80～160 m。

L11、L12、L13為三條測(cè)線層析反演速度剖面（圖13，14，15），反映了30～50 m以淺地層速度空間展布特征，各線速度層析反演剖面上的粉紅色區(qū)域表示速度340～900 m/s的低速區(qū)域，標(biāo)識(shí)地表的松散黃土層，藍(lán)色和綠色區(qū)域表示速度值為1 000～3 000 m/s的中值速度區(qū)域，表示速度稍高的過渡層或基巖層，紅色區(qū)域表示速度值在4 000 m/s以上的高值速度區(qū)域，表示基巖層中相對(duì)高速異常體，由于速度剖面將射線覆蓋區(qū)以外區(qū)域進(jìn)行了插值，導(dǎo)致高速體在射線覆蓋區(qū)以外的區(qū)域可靠性降低，但50 m以內(nèi)的高速體異常相對(duì)可靠。高速異常體即速度比較高的硬巖，由CK01、CK02鉆孔資料、初至波層析速度反演和地震地質(zhì)解剖面解釋剖面可知，場(chǎng)址區(qū)L11號(hào)測(cè)線CDP號(hào)435～638范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)高速異常體，沿L11測(cè)線平面延展約400 m，深度范圍6.4～290 m，場(chǎng)址區(qū)有且僅有一個(gè)高速異常體，該高速異常體主要成分由震旦系石英巖構(gòu)成。

結(jié)合鉆孔資料，通過對(duì)以上3條層析反演的速度剖面對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)僅L11線橫坐標(biāo)800～1 100 m范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)速度超過4 000 m/s的超高速異常體，對(duì)應(yīng)石河拉溝逆覆斷層的石英巖“飛來峰”，與CK01鉆孔揭露的地質(zhì)信息一致。層析速度剖面對(duì)于基巖面的埋深情況有一定半定量輔助解釋作用，L13線相對(duì)較厚，薄處近20 m，最厚區(qū)域?yàn)榭拷筇?hào)的測(cè)線段，厚度可達(dá)40～60 m，其余測(cè)線段的覆蓋層厚度相對(duì)較薄。

4" 結(jié)論與建議

在野外踏勘、鉆探結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，開展目標(biāo)區(qū)淺層二維地震勘探。基于干擾波調(diào)查和偏移距選擇測(cè)試及小折射淺層速度分析結(jié)果，選取合理的地震資料采集參數(shù)及有針對(duì)性的地震資料處理方法。初至層析反演對(duì)高速異常體識(shí)別驗(yàn)證了地震解釋的合理性，結(jié)果表明：

（1） 場(chǎng)址區(qū)斷層發(fā)育，地下深度小于300 m范圍內(nèi)第四系與三疊系基巖面為不整合接觸，形態(tài)由東北向西南逐漸抬升，局部起伏較大。

（2） 第四系底界面埋深6～105 m，其厚度在個(gè)別測(cè)線段相差甚大；基巖面高程范圍1 050～1 190 m，最大高差約140 m。

（3） L11主測(cè)線CDP號(hào)435～638范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)高速異常體，沿L11測(cè)線平面延展約400 m，深度范圍6.4～290 m，為石英巖速度異常。

此外，L11主測(cè)線雖控制了場(chǎng)址區(qū)石英巖高速異常體沿測(cè)線方向的縱向尺度，但無法控制石英巖高速異常體橫向方向的尺度，由于場(chǎng)址區(qū)石英硬巖具孤立性，建議在鉆探施工前進(jìn)行三維地震勘探，以確定施工的邊界范圍。

致謝：審稿專家提出了眾多有益修改意見，在此表示感謝！

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Application of Shallow Two-Dimensional Seismic Exploration Technology in Geological Survey of the Central and Northern Part of Ordos

Yang Yanlong

（Xinjiang Headquarters of China Construction Materials Industry Geological Survey

Center，Urumqi，Xinjiang，830000，China）

Abstract： The geological structural conditions such as underground bedrock surface， hard rock， and fault distribution have a significant impact on the site selection of surface buildings. In response to the issue of site selection for a new energy project in the central and northern part of Ordos， a two-dimensional seismic reflection wave exploration method was designed to study shallow geological conditions for exploration. Based on the analysis of geological conditions such as terrain， geomorphology， and sedimentary strata， the range of seismic survey line layout is selected; Based on shallow velocity analysis， borehole small refraction interpretation， and interference wave investigation results， determine the depth of the target formation and design the seismic observation system; On the basis of high-precision seismic data processing， seismic geological profile interpretation is carried out to track the bedrock interface and identify faults. The identification of high-speed anomalous bodies using first break wave tomography inversion verifies the rationality of geological profile interpretation， providing important reference for site selection.

Key words： 2D seismic exploration; Ordos; Bedrock surface; Hard rock; Fault detection