酆少英 劉保金 趙成彬 何銀娟 譚雅麗 賈艷霞

1)中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

2)河南油田石油物探技術研究院，南陽 473132

0 引言

活動斷裂是一種現(xiàn)代正在活動的構造，它與地震和地質災害緊密相關，從而對城市的安全造成直接的威脅(鄧起東等，2003)。大量地震災害調查結果表明，活斷層不僅是產(chǎn)生地震的根源，而且沿斷層線地震破壞也最為嚴重。確定一個地區(qū)是否存在斷層以及斷層是否錯斷晚更新世以來的地層，是判斷是否存在活斷層的關鍵。

淺層人工地震勘探方法由于其勘探深度范圍較大、抗干擾能力強、分辨率和精度高，可以直觀顯示斷層在淺部地層的分布情況以及上斷點埋深，在城市活斷層探測中得到了廣泛的應用(劉保金等，2002，2007)。但這些應用絕大部分都是2維方法，相對來說精度較差、控制程度較低(夏訓銀等，2010)。

地質構造是3維體，對3維體的探測需要用3維的方法。2維地震探測時，如果測線方向垂直于構造走向，則可以得到正確反映測線下方地質構造的剖面圖。如果測線不垂直于構造走向，剖面反映的構造可能和真實構造有一定的偏差，有時甚至是錯誤的。3維地震是在一定的面積上采集地下地震信息的方法，可從3維空間了解地質構造情況。這種方法可以提供剖面的、平面的、立體的地下地質構造圖像，可以有效地探測小斷層、陷落柱、地質異常體和活動斷層等地質構造(徐小連，2010;彭素萍等，2011)，大大提高了地震勘探的精確度。本文利用在銀川盆地開展的活斷層淺層3維地震試驗資料，探討3維地震探測方法在活斷層中的應用及其優(yōu)越性。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于銀川盆地內。銀川盆地處于縱貫中國大陸的南北地震帶的北端，新構造運動十分活躍，活動斷裂發(fā)育(國家地震局“鄂爾多斯周緣活動斷裂系”課題組，1988)。已有地質和物探資料表明，在盆地內存在多條第四紀隱伏活動斷裂(柴熾章等，2006;劉保金等，2008)，其中，規(guī)模較大、活動性較強的為銀川斷裂和蘆花臺斷裂，這2條斷裂分別在銀川市城區(qū)的東部和西部通過，屬NNE－SSW走向的正斷層(圖1)。它們在漸新世曾是銀川盆地的構造邊界，至今控制著銀川盆地的第四紀沉降中心。

圖1 3維試驗區(qū)地質構造Fig.1 The geological structure of the experimental 3－D seismic survey area.

根據(jù)以往深地震反射剖面(趙成彬等，2009;酆少英等，2011)和淺層2維地震探測結果，蘆花臺斷層是發(fā)育在上地殼內的斷層，上斷點較淺(柴熾章等，2011)。淺部由2條分支斷層組成，呈“Y”形分布，向深部延伸，在深度約12.5km終止于賀蘭山東麓斷裂上。

3維淺層反射地震的試驗區(qū)位于銀川市西北部的賀蘭山農(nóng)場，蘆花臺斷層自南向北從試驗區(qū)穿過。試驗區(qū)地勢比較平坦，為農(nóng)田覆蓋區(qū)，且無公路、房屋等明顯的地表障礙物存在。潛水面深度相對較淺，一般為2～3m，非常有利于測線布設及地震波的激發(fā)和接收。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

野外數(shù)據(jù)采集是地震勘探最初的環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)之一，質量好的原始數(shù)據(jù)是保障探測效果的關鍵因素。

綜合考慮試驗區(qū)的地質、地球物理條件、以往探測參數(shù)和現(xiàn)場試驗結果，本次試驗采用8線10炮的束狀3維觀測系統(tǒng)，以蘆花臺斷層為中心，在550m×875m的范圍內布設了5束28條測線。地面采樣網(wǎng)格為5m×20m，CMP網(wǎng)格為2.5m×5m。數(shù)據(jù)處理中，通過3維插值，最終提交成果的CMP網(wǎng)格為2.5m×2.5m。觀察系統(tǒng)參數(shù)見表1。

地震波激發(fā)采用單邊追逐方式，384道接收，激發(fā)藥量300g，激發(fā)井深10m。

采集儀器為美國I/O公司的System－Ⅱ遙測數(shù)字地震儀。采樣間隔0.5ms，記錄長度2 048ms，記錄格式為SEG－D。地震波的接收使用了60Hz的高頻檢波器。

圖2是一個典型的原始地震記錄?？梢钥吹剑假Y料具有較高的信噪比，出現(xiàn)在雙程旅行時(以下簡稱TWT)0.45s左右的目標層反射波組能量強，連續(xù)性好，在目標層反射波以淺及以深的記錄部分也可分辨出多組反射能量較強、橫向連續(xù)性較好的反射震相。高信噪比的原始資料為取得高質量的探測結果提供了十分重要的第一手觀測數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

基于活斷層探測的淺層反射地震勘探，數(shù)據(jù)處理的重點是盡可能保護和恢復地震記錄中的有效高頻成分，提高剖面的分辨率，以便精確確定斷層的空間分布特征和上斷點位置;另外，有效壓制各種干擾波，提高剖面的信噪比，使各種構造現(xiàn)象能夠在剖面上清晰地顯現(xiàn)，也是數(shù)據(jù)處理的關鍵。本次試驗獲得的地震記錄信噪比較高，提高資料分辨率為本次處理的重點。

3維反射地震資料的數(shù)據(jù)處理在流程上和2維地震資料的數(shù)據(jù)處理基本相同，但在具體的處理模塊和參數(shù)選用上，需要考慮3維地震數(shù)據(jù)在橫向上的變化，選用一些適合3維地震數(shù)據(jù)的模塊和參數(shù)。通過對模塊和參數(shù)的對比試驗，確定本次處理的主要流程為:原始數(shù)據(jù)輸入、3維觀測系統(tǒng)定義及檢查、死道編輯及初至切除、球面發(fā)散補償、內切濾波法去面波、地表一致性振幅補償、地表一致性反褶積、速度分析和剩余靜校正迭代(2次)、DMO和第3次速度分析、最終疊加、3維去噪和橫向插值、3維一步法偏移以及最終剖面顯示。

偏移處理是3維地震數(shù)據(jù)處理的關鍵環(huán)節(jié)，也是體現(xiàn)3維地震勘探優(yōu)越性的重要步驟。3維偏移不僅考慮了沿測線方向上構造對數(shù)據(jù)的影響，也同時考慮了垂直測線方向上構造對數(shù)據(jù)的影響，避免了2維偏移中側向構造對偏移結果的影響，能使地下地質體偏移到真實的空間位置。本次處理中采用3維一步法有限差分偏移方法，偏移速度場利用DMO速度進行平滑得到。圖3為3維偏移前后效果對比，可以看出偏移后繞射收斂，斷點清楚，斷層線清晰。

通過綜合、配套的處理技術，得到的剖面有著較高的信噪比和分辨率，斷點清晰，地質構造清楚，為資料解釋提供了良好的基礎。

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)表Table 1 The table of layout parameters

圖2 典型地震記錄Fig.2 The typical seismic records.

3 資料解釋

3維資料解釋采用人機交互方式進行。通過多線剖面對比、時間切片、3維可視化、3維相干體等工具，綜合考慮縱橫、剖面的反射特征，進行層位對比與追蹤，得到了反映地層、斷層空間變化的3維數(shù)據(jù)體。

3.1 標準層的確定及時間剖面解釋

地震標準層是指波形特征明顯、穩(wěn)定，并在區(qū)域內大多數(shù)地段可連續(xù)追蹤的與勘探目的層相聯(lián)系的反射地震界面。圖4是1條EW向剖面。從剖面看，反射波組信噪比較高，特征清楚。其中位于TWT 0.4～0.5s的反射波組代表了第四紀地層和古近紀、新近紀地層的分界面，在本區(qū)所有的縱、橫剖面上都有著較高的信噪比和較好的連續(xù)性，可作為層位對比和追蹤的標準層。

根據(jù)剖面的波組特征，解釋了8組可連續(xù)追蹤的反射波組，由淺到深分別標記為T0—T7。T0位于剖面上部，TWT約為0.05s。

圖3 3維偏移前后效果對比圖Fig.3 The comparison map of 3D migration effect.a疊加剖面;b偏移剖面

根據(jù)上、下反射波組的相互依賴關系和同相軸的錯斷情況，在剖面中部解釋了2條呈“Y”字形分布的斷層F1和F2。其中，斷層F1明顯錯斷了反射波同相軸T1及以下的所有反射波同相軸，其斷距由淺到深逐漸增大。斷層F2僅錯斷了反射波同相軸T2—T7，并在TWT 0.8s左右歸并到斷層F1上。從這2條斷層在剖面上的特征和斷層規(guī)模來看，斷層F1應是目標斷層(蘆花臺斷層)的主斷層，F(xiàn)2是其分支斷層。

3.2 3維相干數(shù)據(jù)體

相干體分析技術是通過對相鄰地震道數(shù)據(jù)進行相干性計算，進而得到反映地震道相干性的新數(shù)據(jù)體。剖面上如果有斷層通過地層，可導致斷層兩側的地震道不一致，相似性差，預示著斷層的存在。因此在斷層的解釋上可將相干剖面與相對應的時間剖面進行交互解釋，使小斷層不被漏失，以確保解釋結果最大限度地符合地下地質情況，增加斷層解釋的可靠性。

圖5給出了TWT 0.25s的相干數(shù)據(jù)體時間切片，不相干數(shù)據(jù)的分界在圖中顯示得非常清楚，其分界反映了斷層兩側具有不同的物性特征。圖5b的紅、綠線條分布是根據(jù)時間剖面解釋斷層F2和F1在時間切片的投影，和圖中不相干部分可較好地吻合。

3.3 斷層的空間分布

利用多種3維解釋手段，得到了反映地層、斷層3維空間分布的數(shù)據(jù)體。對其進行3維立體顯示(圖6)，可以直觀地反映地下地層界面、斷層的空間展布形態(tài)，可以從不同的角度觀察不同反射層的縱、橫向變化特征、斷層錯斷的反射層位、斷層交切關系以及斷層的空間展布形態(tài)等地質構造信息。

由圖6可以看出，斷層F1和F2是在整個試驗區(qū)內總體呈NE－SW向展布的正斷層，并在局部地段出現(xiàn)左右的擺動，F(xiàn)1傾向SE，F(xiàn)2傾向NW。2條斷層之間的距離在不同的反射層平面內也有著明顯的變化，其間距總體上由北向南逐漸增大。3維地震數(shù)據(jù)的垂直剖面圖上，2條斷層之間的距離隨著深度的增加而逐漸減小，并在TWT 0.80s左右，NW傾向的斷層F2歸并到SE傾向的斷層F1之上。從這2條斷層的斷距來看，斷層F1使剖面上各反射層錯開的距離也大于F2斷層，這些現(xiàn)象表明，斷層F1的規(guī)模大于F2斷層。斷層F1的上斷點埋深在不同剖面上是不同的，具有由北向南逐漸加深的趨勢，在試驗區(qū)的北部上斷點埋深為25～30m，而在試驗區(qū)的南部上斷點埋深為35～40m。

圖4 EW向剖面及解釋結果Fig.4 The profile in EW direction and the results of interpretation.

圖5 TWT 0.25s相干數(shù)據(jù)體時間切片顯示Fig.5 The time slice display of coherent data volume in TWT 250ms.

圖6 反射層位和斷層的3維立體顯示圖Fig.6 The 3D stereo display of reflection horizons and faults.

4 結果與討論

(1)蘆花臺斷層由2條相向傾斜的正斷層組成，主斷層F1走向NE，傾向SE。次級斷層F2走向NE，傾向NW。斷層F1和F2之間的平面距離在試驗區(qū)內由北向南逐漸增大，垂直方向上，2條斷層之間的距離隨著深度的增加逐漸減小，在深度780～800m左右2條斷層歸并到一起。從斷距來看，F(xiàn)2使剖面上各反射層錯開的距離明顯小于F1。F2的上斷點埋深位于反射層T3，其深度為110～120m;F1的上斷點埋深在試驗區(qū)內具有自北向南逐漸加深的趨勢，北部埋深為30～35m，南部埋深為40～45m;這表明斷層F1的活動性強于F2，且自北向南逐漸變弱。

(2)3維反射地震資料具有數(shù)據(jù)量大、信息量豐富的特點，可以綜合采用地震反射層位的3維空間對比方法、3維數(shù)據(jù)時間切片、3維相干數(shù)據(jù)體分析、3維可視化以及垂直剖面和水平切片綜合顯示技術進行分析與解釋，互相印證，得到探測區(qū)內主要地震反射層位的空間展布、主斷層和次級斷層之間的相互關系以及它們的空間展布形態(tài)，為活斷層探測提供豐富可靠的資料。

(3)3維偏移不但考慮了沿測線方向上的構造對地震數(shù)據(jù)的影響，同時也考慮了垂直測線方向上的構造對地震數(shù)據(jù)的影響。因此，能把隱伏的3維地質體偏移到實際的空間位置上。

(4)3維反射地震方法對于復雜構造成像精度高，有利于小構造成像。圖7為同一位置3維(a圖)和2維(b圖)剖面對比。根據(jù)2維淺層地震剖面的反射波組特征，斷層F2在TWT 0.50ms左右歸并到F1斷層上，而在3維淺層地震剖面上，斷層F2向剖面深處一直可延伸至TWT 0.75ms左右。究其原因，3維探測方法對于復雜構造區(qū)成像精度高，2個斷層之間小斷塊可以得到很好的成像。因此，能可靠地判定斷層F2向剖面深部的延伸情況。

(5)3維地震具有成像直觀、成像精度高、斷層歸位準確、信息量大的優(yōu)點，已經(jīng)在石油、煤炭等能源勘探中得到了廣泛的應用。但由于場地要求嚴格、經(jīng)費大的限制，在活斷層反射地震探測中還沒有得到大規(guī)模的應用。如何更好地利用3維淺層地震勘探技術服務于城市活斷層探測，還有待進一步研究。