兩種淺層地震方法在巖溶探測中的應用

張曉周

（遼寧省冶金地質四〇一隊有限責任公司，遼寧 大連 116100）

巖溶是可溶性巖石以水溶解為主的化學溶蝕作用，伴隨機械作用而形成溝槽、裂隙、洞穴等的總稱，如巖溶頂部不斷被地表水或地下水不斷沖蝕或溶蝕，便會形成土洞，土洞一般比較不穩定，很容易塌陷，形成地質災害[1]。

根據巖溶的形成機制可知，巖溶為可溶性巖石中的空穴，及時內部存在水、泥沙、碎石等填充物，其與基巖波阻抗也會存在明顯差異，在巖溶邊界地震波會發生繞射現象，進而使得其同相軸發生畸變（錯斷、上凸、下凹等），或導致地震波動力學特征發生突變，并可根據這些突變確定探測巖溶的大致水平位置。本文結合遼寧某地巖溶探測實際案例，介紹一下淺層地震兩種常用方法，即地震映像法（以下簡稱映像法）和反射波水平多次疊加法（以下簡稱疊加法）。筆者根據兩者各自原理特點及適用性，在不同施工地段選取適用方法，詳細討論兩者相結合在巖溶探測中的實際應用效果。

1 工作區概況

1.1 地質概況

1.1.1 地層

（1）元古界遼河群大石橋組三段（Ptlhd3）。本區該組地層巖性主要為白云石大理巖，此類巖石為碳酸鹽類，在地下水作用下極易形成溶洞等地質現象，巖溶和裂隙發育[2]。

白云石大理巖：灰白色，風化后灰色或灰黃色，細粒或不等粒變晶結構，塊狀構造。主要由白云石90%、石英5%組成。含少量滑石、磁鐵礦和碳質物。巖石表面有水垢、溶蝕孔等現象。

（2）新生界第四系（Q）。主要分布在溝谷、河流的兩岸及山間洼地，構成河床及溝谷的沖積層和沖積扇裙。在山坡形成殘積和坡積物。巖性為粘土、砂土、砂礫及礫石等,厚度0.5m ～17.5m。

1.1.2 構造

從區域來看，該區構造以北西向及近東西向斷裂為主，工作區附近以進東西向構造為主，已探明的地下河或巖溶群多沿構造分布。

1.2 地物地貌

工作區整體呈現兩邊高中間低的地勢，中間最低處為一條南北走向季節性河流，河流兩側相對較為平坦，為居民區，人工堆積物及建筑垃圾較多，民房分布對地震測線布設形成障礙。施工期為枯水期，河道及漫灘均為鵝卵石河沙及雜草堆積物。塌陷處位于村健身場地河道附近，為典型土洞塌陷。

經調查附近歷年出現坍塌亦均為土洞塌陷，且基本沿河分布，據此可知走向近東西的巖溶群，在河道附近更以發展成土洞。因此調查探測重點區應設置和兩側[3]。

2 地震方法原理

2.1 探測原理及特點

（1）映像法。映像法是基于所謂最佳偏移距技術發展起來的一種地震勘探方法,在探測中可以利用多種波（折射波、反射波、繞射波，面波等）作為有效波來進行探測。在這種方法中的最佳時間窗口內選擇一個公共的偏移距，每次激發后用一道接收，然后沿測線方向同時移動炮點和檢波器，最后獲得一條地震映像時間剖面。其原理示意圖如下所示。

圖1 地震映像探測原理示意圖

地震映像法的優點：對施工場地要求相對較低，由于選擇的公共偏移距，因此不受振幅和相位變化影響，容易正確識別同相軸，不需做動校正，工作效率較高，適用場地條件相對寬松，受地形及連續變化低速帶影響相對較小；缺點抗干擾能力差，且無法時深轉換。

（2）疊加法。疊加波法勘探是利用不同地下介質彈性差異，引起地震波速場的變化，從而產生彈性異常（速度不同），并在分界面產生反射現象。實際測量時由于地震波多次反射及隨機干擾（車輛經過）造成有效波信息淹沒其中，難以分辨，采用單次觀測往往難以準確判斷達到探測目的。因此實際野外觀測時往往采取在測線上不同點激發、相應點接收來自地下界面相同反射點的多個地震記錄道（CMP）進行疊加，疊加后多次波及隨機干擾大多被削弱，從而達到突出有效波提高信噪比的目的。數據處理時通過對多道反射結果進行速度分析、動校正及共CMP疊加，將其轉化為t0 時間共深度點疊加道集，最后時深轉換根據反射波同向軸變化確定巖溶位置 。探測原理見圖2。

圖2 地震反射波水平3 次疊加探測原理示意圖

疊加法勘探優點：可以對多次反射有效壓制抗干擾能力強，精度較高，對構造及巖溶反應較為準確；缺點：對場地要求較高，對于地表低速帶連續變化地段靜校正效果欠佳地段探測能力較差，工作效率較低，施工成本較高。

針對布置地震測線場地實際情況，結合地震方法特點，通過方法試驗，認為映像法適合地表低速帶變化復雜、地形多變地段（建筑垃圾場地及河灘）；反射波法適合地表人工硬化地段（水泥廣場及板油路面）探測。

3 探測結果及解譯

（1）Ⅰ號剖面。

圖3 Ⅰ線地震映像剖面圖

由上圖，由于其靠近小河且與之平行，該剖面兩端均為河漫灘低速帶，中間為農戶及庭院健身廣場水泥硬化地段。映像剖面位置道號：24 ～29（48m ～58m）、36 ～45（72m ～90m）、52 ～57（104m ～114m）處出現同相軸畸變，為明顯的繞射波特征，中間地表硬化地段，同向軸相對雜亂，為多次反射影響。其中第2 處異常中心（道號42）即為塌陷位置，據此推斷該物探異常可能與巖溶有關。

（2）Ⅱ號剖面。

圖4 Ⅱ線地震映像剖面圖

圖5 Ⅱ線地震反射波水平3 磁疊加剖面圖

由上二圖：由于其靠近小河且與之平行，該剖面南部為河漫灘，北部柴草堆積層及建筑垃圾，均為低速帶，中間為農戶及庭院健身廣場水泥硬化地段。對應地震映像剖面位置道號：14 ～21（28m ～42m）、46 ～54（92m ～108m）處出現同相軸畸變以及振幅頻率變化，為明顯的繞射波特征，但由于中間硬化地段多次反射同向軸過于雜亂，探測效果較差，因此針對硬化地段布設反射波剖面。結果顯示距起點75 ～82（寬度7m）深度15m ～23m、樁號101 ～107（寬度6m）深度11m ～26m 處出現反射波同向軸上部上凸，下部下凹，能量減弱（振幅突然減小）或同向周雜亂現象，推測均為巖溶引起。

（3）Ⅲ號剖面。

圖6 Ⅲ線地震反射波水平3 磁疊加剖面圖

由上圖，距西端55m 附近同向軸錯斷，推斷有斷層存。距西端25m ～34m（寬度9m）深度20m ～27m、66 ～78（寬度12m）深度17m ～25m 處出現反射波同向軸上部上凸，下部下凹，能量變化（振幅突然減小或增大）或同向周雜亂現象，推測均為巖溶引起。

4 驗證結果

Ⅰ號剖面，針對映像法剖面推斷三處巖溶位置，自南向北布設布設ZK1、ZK2 和ZK3 號驗證孔結果見表1。

表1 Ⅰ號剖面鉆探驗證結果

Ⅱ號剖面，針對映像法及疊加法剖面推斷三處巖溶位置，自南向北布設ZK4、ZK5 和ZK6 號驗證孔結果見表2。

表2 Ⅱ號剖面鉆探驗證結果

Ⅲ號剖面，針對疊加法剖面推斷兩處巖溶位置，自南向北布設ZK7 和ZK8 號驗證孔結果見表3。

表3 Ⅲ號剖面鉆探驗證結果

由鉆探驗證結果顯示，淺層地震推斷巖溶位置較為準確；由ZK6 和ZK7 鉆孔（分別對應Ⅱ號疊加剖面2 號異常和Ⅲ號疊加剖面1 號異常），在深部（25m 以下）有頂底跨度較大或多層巖溶存在，但由于淺部存在具有松散填充物的巖溶，地震波衰減較大，對深部巖溶反應不明顯。

5 結論

（1）針對工作區復雜施工條件，對于地形變化較大或淺表低速帶變化復雜和地表硬化地段，分別選用映像法和疊加法；兩種方法相結合探測，相輔相成，不僅可以相互彌補不足還可以相互印證，探測效果較好。

（2）通過鉆探驗證，各剖面同向軸彎曲或振動特征發生變化，出現明顯繞射散射位置，處均見由沙土填充或無填充物巖溶，證明推斷結果可靠。

（3）鉆探驗證結果顯示，該區巖溶為巖溶群，在不同深度均有分布，頂底跨度較大巖溶多被碎石及沙填充。由于錘擊震源能量較小，由于散射作用，在其穿透淺部填充物后，能量衰減較大，深部反射波振幅很小，因此兩種方法深部（25m 以下）垂向分辨率均較差。