利用地震資料研究活斷層的方法和對煤礦安全開采的意義

陳昌武，高遠

（安徽煤田地質局物探測量隊，安徽宿州234000）

利用地震資料研究活斷層的方法和對煤礦安全開采的意義

陳昌武*，高遠

（安徽煤田地質局物探測量隊，安徽宿州234000）

安徽兩淮地區活斷層發育，深部斷裂穿過第四系，有的出露地表。以往的地震勘探資料著重于煤系地層斷層的解釋，忽略淺部構造，沒有進一步發掘地震資料中包含的動態地質信息。充分利用兩淮地區以往的地震勘探資料，以宿北斷裂耿皇支斷層為例擬合“斷層生長線”和“斷層時空生長方向”的模型來研究活斷層的活動強度及時空變化特征，為煤礦井筒選址、巷道布置和煤礦防治水等安全開采提供服務。

活斷層；宿北斷裂；活動時限；空間生長方向；活動性評價

當前探測研究活斷層的技術手段較多，包括地貌、地質分析、槽探、化探和一些重力電法的物探方法，有一定的效果，但是利用人工地震方法分析研究活斷層有其獨到的優勢。以往的地震勘探資料著重于煤系地層斷層的解釋，且以靜態的方式研究斷層的產狀要素，沒有進一步發掘地震資料中包含的動態地質信息。這些動態地質信息包含了斷層的發育過程，尤其是涉及到其近期是否活動以及活動強度的信息等。隨著人工地震技術的突飛猛進，三維高信噪比、高分辨率的地震資料更能詳盡地解釋小構造，這對研究活斷層的細節極為有利。通過已有的人工地震勘探資料的“二次信息開發（信息的再處理、再解譯和再集成）”，獲取研究區活斷層的二維或三維精細結構和其他地球物理信息，了解其分布范圍、分布特征、活動強度及發展趨勢，形成具有自主特色的活斷層研究技術體系，為兩淮地區的天然地震預測預報、煤礦安全開采和其他自然災害防治提供服務，以促進區域經濟和社會的可持續發展。

1　研究區內概況

研究區屬于淮北平原，地勢平坦，幾乎95%的面積為廣闊平原，地面標高42～15m。總體地勢具有北西高，微向南東傾斜，地面坡降0.1%～0.2%。其中，黃河故道一線地面標高為45～50m，構成平原區地表分水嶺的特征。

研究區屬華北地層區淮河地層分區，除北部和東北部低山丘陵區外，幾乎全為第四系覆蓋，約占全區面積的97%，其中可劃分為中下更新統（Q1-2）、上更新統（Q3）和全新統（Q4）。該區第四系下部多以砂性土為主，中部以粘性土為主，上部為砂性土粘性土互層，總的分布特征具有西厚東薄、北厚南薄的特征。

本區基底構造主要體系以秦嶺緯向構造體系和新華夏構造體系為主，還包括徐宿弧形構造、華夏式構造和淮陽山字型構造的脊柱部分。

2　研究內容

鑒于已有的人工地震資料主要集中在兩淮地區，故本研究選擇兩淮地區活斷層為研究對象。擬從以下4個方面開展研究：

（1）二維和三維地震勘探資料中活斷層運動信息的提取與解譯；

（2）兩淮地區活斷層運動形跡的識別及空間分布；

（3）兩淮地區活斷層的活動特征（運動方向、運動強度、運動時限及發展趨勢）；

（4）兩淮地區活斷層對煤礦井下安全開采的危害及預測。

3　技術方法

目前進行活斷層探測的主要技術包括地貌分析、地質調查、地球化學分析、地震活動及觀測、槽探、坑探、鉆探等。本研究主要從歷年已有的兩淮地區的人工地震勘探資料和地質資料入手，進行活斷層信息的提取、分析、組合、解譯，從地下（地震、地質資料）、地表（野外查驗）、空中（遙感）3方面分析研究區內的活斷層發育情況，并以地震資料為主，另外2種手段為輔。

3.1以往地震資料的再利用

本研究主要利用了歷年兩淮地區的地震勘探資料，從中搜集查找的兩淮地區與活斷層相關的地震資料，對其進行了整理和再處理（部分資料）、再解譯，著重對活斷層的地理位置、控制長度、特征要素及可靠程度等進行了分析和總結。

利用地震資料確定活斷層的標準，主要是看斷層在時間剖面上是否錯斷第四系底界（地震勘探資料定義為T0波），并延伸至第四系地層內部。因為在兩淮地區第四系底界與下伏地層基本呈角度不整合接觸關系，加上鉆孔約束，在地震時間剖面上確定第四系底界面是容易且不易出錯的，而新構造運動的顯著特征即在第四系有過活動，對第四系地層產生了破壞，且主要是垂直升降運動，表現在地震時間剖面上即斷層錯切第四系地層，斷層的兩盤有相對升降關系，產生一定的斷距，這樣利用地震時間剖面就能夠很好地確定活斷層的位置、性質、傾向、傾角、走向、斷距等要素。

3.2兩淮地區活斷層空間分布及特征

本研究解釋了兩淮地區的活斷層（帶）共12條，其中淮北區7條，淮南區5條。分別是淮北地區的宿北斷裂、宿北斷裂支斷層、魏廟斷層、花溝F5斷層、祁南F8斷層、孟集斷層及黃殷斷層；淮南地區的明龍山斷層、大興集DF9、淮南F1、顧橋FQ活斷層帶及楊村F101活斷層帶。

（1）活斷層走向方面：本研究發現研究區內的活斷層走向以近東西和北西向為主。

（2）活斷層正逆性質方面：活斷層在新地層內發育以正斷層占主導地位，總計12條活斷層中有9條（帶）為正斷層，占到活斷層總數的75%。

（3）活斷層落差方面：活斷層在錯斷基巖落差方面以相對較大的斷層為主，其中錯斷基巖落差在1000m以上的大斷層3條，500～1000m的大斷層5條，100～500m的斷層3條（帶），100m以下的斷層1條；在錯斷第四系底界落差方面，均小于在基巖中的落差，且多小于100m。

（4）活斷層的繼承性和新生性特征：活斷層的繼承性主要表現在活斷層在第四系內部的延展方向分布與基巖斷層的分布具有相當程度的一致性，多數活斷層繼承了下部基巖斷層的基本特征。

3.3活斷層的活動時限及強度分析

對一條斷層的生長可以用理想化的“斷層成長曲線”進行描述，利用“斷層成長曲線”及其微商圖線，可以定量地描述該點處斷層幕是如何進行的全過程，如圖1所示。自左至右看：先是“斷后建造段”（TE點以左），由于未受斷層影響，其特征是落差恒為零，微商亦為零；然后是“同步沉積段”（TE—TB間），隨著地層向右時代變老（累計時間增加），累計落差單調地增大，曲線上升，最后是“斷前建造段”（TB以右）。

圖1　斷裂成長曲線（A）與微商曲線（B）圖

圖中T表示距今地質年代（以百萬年計），Δh∑（T）表示自年代T以來的累計落差；Δh′∑（T）表示落差的微商；TB表示斷裂活動開始的年代；TE表示斷裂活動休止或平靜的年代。利用理想化的“斷裂成長曲線”，可以將地震時間轉換為對應的地質年代，對斷層的活動時限尤其是休止年代和強度變化做出推斷。具體做法按如下步驟進行：

（1）確定活斷層斷面。

（2）統計活斷層落差的垂向變化。

（3）統計活斷層通斷深度的變化，記錄斷點起止的地震時間。

（4）擬合“斷層成長曲線”。

3.4擬合“斷層成長曲線”

對統計的離散數據進行多項式擬合，擬合曲線作為“斷層成長曲線”，將地震時間轉換為地質年代時間，確定斷層的趨于休止時間，對“斷層成長曲線”進行相對的微分，即不嚴格按照曲線的數量級進行求導，只是求取“成長曲線”不同點的斜率值，基本反映活斷層活動強度的相對關系。

以宿北斷裂支斷層為例，該斷層位于耿皇井田的東南部，由三維地震資料控制，正斷層，走向北西西，傾向南南西，傾角50°～60°，錯斷本區煤系地層的落差約500m左右，在第四系底界的落差相對較小，約10～50m，時間剖面顯示斷面由7、8、10煤層直斷入到第四系淺部，屬典型的活斷層。

根據該斷層在新地層內的錯斷情況，共定義了5個層位，從下到上包括t0及t01至t04。資料解釋過程中發現該斷層的多數剖面斷面與錯切基巖斷面保持了相對一致性，沒有大的變化，如圖2所示；東部少數剖面顯示斷面向上延伸有變陡的趨勢。

圖2　宿北斷裂耿皇支斷層X372線時間剖面圖

統計一定網度的時間剖面，制作了如圖3所示的斷層落差隨時間深度、地質年代變化的趨勢圖（斷層生長曲線），縱坐標y代表落差函數，圖中的擬合曲線（虛線）代表斷層時間深度落差（x橫坐標標尺在下排），（實線）代表斷層地質年代落差，根據斷層生長曲線繪制了活斷層不同地質年代的相對活動強度趨勢圖（圖4）。

從圖3中也可以看出：①最大落差接近50ms（接近50m），位于第四系底界，最小落差為0ms，不同地段統計深度不一，基本在100～160ms深度（對應地質年代44萬年～70萬年之間），表明斷層最新活動時間隨地段不同而變化，反映了斷層的時空生長情況；②擬合曲線變化平緩，不同深度（年代）的落差大小具有一定的聚集度，且由淺向深逐漸增大，反映出斷層落差的逐漸累積性；③不同地質年代的累積速度的相對大小可以從圖3（虛線）看出，從右向左地質年代依次變新，速度變化并非線性，而是經歷了2次由大變小的過程：第四紀剛開始的時候（約240萬年前），活斷層活動相對較強，在（200～150）萬年之間經歷了一個相對低速的活動期，其后逐漸活躍，并在約80萬年前達到次一個活躍期高峰，其后活動逐漸趨緩至約35萬年前逐漸平息（活斷層的最新活動時限）。

圖3　耿皇支斷層不同時間深度與不同地質年代落差變化趨勢圖

圖4　耿皇支斷層不同地質年代相對活動強度趨勢圖

3.5活斷層的空間生長方向分析

如果把一條斷層的空間形態完整地畫出來，便能動態地看到該斷層發育成長的過程。

地震勘探區數據表現的僅是整個活斷層格局中的一個局部片段，很難反映全貌，但是從地震數據入手，通過研究地震剖面上斷層面的遷移變化和換算地質年代來間接研究活斷層落差的空間生長方向的思路是可行的。在地震數據足夠的情況下，結合區域地質發展史，可以較全面地揭示一個地區活斷層的空間展布及其生長歷史。

以宿北斷裂支斷層為例，該斷層地震資料位于耿皇井田南部邊緣，控制煤系地層的賦存范圍。該斷層頂部0落差點總體變化不大，趨勢性較強（見圖5實線，Y軸用右側標尺）。對頂部通斷深度及換算的地質年代數據進行了多項式擬合，發現最深約在160ms左右，換算成地質年代約70萬年左右，最淺約在100ms左右，換算成地質年代約44萬年左右（圖5虛線，Y軸用左側標尺），斷層通斷深度（年代）基本由東向西平緩變淺（變新），即認為宿北斷裂支斷層沿斷層方向上由東向西延伸發展，垂直斷層走向方向的發展為斷層傾向的反方向，大致為向北北東方向遷移。通過研究地震剖面上活斷層面的遷移變化和變換的地質年代來間接研究活斷層落差的時—空生長方向，基本能夠概括反映某個活斷層的空間展布及時空生長情況。斷層的空間生長方向可以用兩個方向來合成，即斷層走向方向與斷層鋒線的平面遷移方向（斷層傾向的反方向）的合成。當斷層傾角變化小時，其空間生長以斷層走向方向的生長為主。

圖5　宿北斷裂耿皇支斷層頂部0落差點趨勢線圖和最新休止點連線趨勢圖

4　活斷層的危害及活動性評價

活斷層的突出特點就是錯斷新生界地層，聯通下伏煤系地層，具有活動性，這一特點直接決定了它與煤礦開采緊密相關：它可能引起礦井突水和巷道破壞，對礦井安全生產構成嚴重威脅。這里主要針對活斷層的幾個特點對其危害性進行評價及預測：

（1）活斷層部分是煤礦邊界大斷層（劉莊及口孜東F1斷層等），井田邊界斷層控制著煤層的分布和開采范圍，對井巷的布置有較大影響；

（2）活斷層多數為正斷層，上下聯通，是地下水的主要通道。正斷層受張力作用，其斷層破碎帶寬，更易導水，尤其應該引起重視，提前探水、防水；

（3）活斷層通斷至距離地面較淺部位，部分斷層可能與地表聯通（如明龍山斷層），基本通斷了兩淮地區的第二、三、四含水層，水量巨大，最好結合水文地質報告，開展煤礦開采的防水設計；

（4）對于貫穿井田的活斷層，如顧橋FQ斷層，是沿斷層條帶方向產生的活斷層，與下部不同斷層聯系了起來，導致多條基巖斷層通斷新生界地層，基本貫穿整個顧橋礦井中部，影響范圍大；該斷層上部傾角陡立，極易導水，且在新生界底落差變化較大，最大約90m，意味著導水通道變大，導水能力變強。

（5）既然是活斷層，就意味著其有進一步活動的可能，尤其是斷至第四系淺部的較新的活斷層，在有地震記錄以來已經發生了不同程度的活動，產生過地震等（如宿北斷裂、孟集斷層、明龍山斷層等），而其逐漸積累的蠕變變形，沒有進行過專門的監測和記錄，但是不能排除其時刻都在進行的變化，所以在這些斷層的附近進行地下煤層開采時，有必要采取一定的措施，防止因這些活斷層的蠕變或進一步活動給井巷帶來的重大損失。

5　結論

利用以往地震資料分析活動層，可以提高以往地震資料的利用價值。

采用例擬合“斷層生長線”和“斷層時空生長方向”的模型來研究活斷層的活動強度及時空變化特征，為活斷層監測提供科學依據，預防巷道破壞、礦井突水和等對嚴重威脅礦井安全生產的災難，為煤礦井筒選址、巷道布置和煤礦防治水等安全開采提供服務。

［1］方仲景，計鳳桔，向宏發，等.郯廬帶中段第四紀斷裂活動特征與地震地質條件述評［J］.地質科學，1976（4）：354-367.

［2］牛漫蘭，鄭文武，宋傳中.安徽中北部北西向斷裂的活動性研究［J］.安徽地質，1998，8（4）：41-44.

［3］鄧啟東，盧造勛，楊主恩，誠實活動斷層探測和斷層活動性評價問題［J］.地震地質，2007，19（2）：189-200.

［4］高遠，呂進英，陳昌武.等.活斷層對煤礦安全開采的影響研究及應用示范［R］.安徽省煤田地質局物探測量隊：1-136.

Method for Studying Active Fault by Using Seismic Data and Its Significance of Safe Mining in Coal Mine

CHEN Chang-wu，GAO Yuan
（Geophysical Prospecting and Surveying Team of Anhui Coalfield Geology Bureau，Suzhou Anhui 234000，China）

There are lots of active faults in the area of Anhui Lianghuai，deep fractures go through the Quaternary，and some are exposed surface.Previous seismic exploration data used in the past focused on the interpretation of the coal measures strata，ignoring the shallow structure，not to further explore the dynamic geological information contained in the seismic data.We made full use of Lianghuai area of previous seismic exploration data.Taking Genghuang branch fault in Subei fracture as example，fit the model of"fault growth line"and"the time and space growth direction of fault"to study the activity intensity and spatial and temporal variation characteristics of active faults，in order to provide services for coal mine shaft location，roadway layout and safe mining of coal mine.

active fault；Subei fracture；activity time limit；spatial growth direction；evaluate the activity

P315

A

1004-5716（2016）10-0089-05

2016-05-30

2016-06-01

陳昌武（1969-），男（漢族），安徽桐城人，高級工程師，現從事物探、地質及相關工作。