微動勘探與高密度電法在小尺度老采空區探測中的應用

賈煦， 孫建偉， 劉向東， 程賢達， 黃虹霖

（1.中國地質調查局西安礦產資源調查中心，陜西 西安 710100；2.中國地質大學（北京）地球物理與信息技術學院，北京 100083）

0 引言

地下油頁巖開采后會形成一定規模的采空區，采空區沉降或塌陷會對地面建筑和環境產生嚴重影響。目前，采空區探測主要采用鉆探和物探方法[1]。鉆探方法精度高，準確直觀，但成本較高，對大范圍的采空區探測或復雜采空區探測，尤其是缺乏歷史資料的采空區探測可行性不高。物探方法經濟快捷，不僅可以確定采空區的平面位置，還能直接顯現采空區的空間形態特征，近年來得到了廣泛應用[2-3]。但是每種方法都有其適用性和局限性，需要根據研究區的地質特征，選擇合理的方法或方法組合來進行探測。

欒川縣趙莊村一帶曾于20世紀有過多期次油頁巖開采活動，隨著時間推移，采空區地面沉降問題逐漸凸顯，多處房屋出現變形開裂現象，對人居安全產生威脅，急需查明采空區分布范圍和空間形態特征，以便有效預測地面沉降的發展趨勢，控制和減輕地面沉降的危害。然而，由于該區采礦活動歷史久遠，采掘相關資料缺失，給采空區探測帶來一定難度。

微動勘探具有簡便、經濟、不受電磁干擾影響、對環境及地形適應能力強等特點，對探測村莊覆蓋區之下的速度異常區域具有一定的技術優勢[4]。前人多是將其用于大規模采空區的探測[5-8]，對于小尺度老采空區的探測報道相對較少。本文針對趙莊村一帶的采空區問題，嘗試將微動與高密度電法組合進行探測實驗，研究其用于小尺度油頁巖老采空區探測的可行性。

1 采空區地質背景及物探方法選擇

1.1 采空區地質背景

欒川縣趙莊村一帶屬于潭頭盆地油頁巖分布區，位于秦嶺地軸北側的三級構造中。區內主要出露古近系高峪溝組、潭頭組以及第四系洪沖積層（圖1）。高峪溝組為一套紅色巖系，下部為礫巖與鈣質長石粉砂巖不等厚互層，中部為礫巖、含礫砂巖夾粉砂質泥巖，上部為礫巖與鈣質長石粉砂巖不等厚互層夾砂巖。潭頭組主要為一套灰色巖系，下部以泥巖為主，夾細粒巖屑石英砂巖，中部和上部為薄-中層泥晶灰巖夾泥巖，部分區域夾油頁巖及煤線，該套地層是本次勘探對比解釋的主要目的層。第四系沖洪積層為含礫粉砂質黏土、含礫砂質黏土夾礫石層。

圖1 研究區地質背景與工作部署

研究區所屬潭頭盆地受揚子板塊與華北板塊碰撞擠壓及西太平洋板塊俯沖控制，南部以馬超營大斷裂為界，東側受NE向斷裂控制，總體呈現向SE傾斜的掀斜式單向斷陷盆地，區內發育2組裂隙，分別為69°～90°和340°～360°。

1.2 采空區特征

通過實地調查和走訪群眾，趙莊村一帶采空區有以下4個特點: ①規模較小，高度普遍在2 m左右，寬度約3 m； ②埋深較淺，受限于民采的開采設備，埋深普遍在30 m以淺； ③分布雜亂無序，因開采活動無統一規劃，且從20世紀初至20世紀70年代有過不同期次的開采歷史，致使采空區分布雜亂； ④相關資料缺乏。

1.3 物探方法選擇

目前，采空區探測常用的物探方法可分為3大類，即地震類方法、電磁類方法和放射性探測[9-17]。地震類方法主要根據采空區相對于圍巖通常表現為低速異常來識別,電磁類方法主要根據采空區充水與否，表現為高阻或低阻異常來識別,放射性探測則主要根據采空區通常為氡氣匯集區，相對于周圍表現為高氡氣異常來識別。人工源地震因震源激發存在安全隱患和環境噪聲污染，考慮到研究區人員聚集的實際情況，該方法不具備實施條件。電磁類方法因受人文電磁干擾影響，效果難以保障。微動勘探觀測方法便捷，無需人工震源，不受電磁干擾影響，對環境噪聲無特殊要求，因而對工作區的適用性較其他方法更強，本次研究將其作為主要探測方法。為了減少斷裂構造或其他地質條件引起的低速異常對微動探測的干擾，同時開展了高密度電法勘探，以期與微動勘探相互驗證，提升推斷解釋的準確性。

由于研究區資料缺乏，因此本區地層電性特征參考的是鄰區的以往資料。由表1[18]可見，區內主要巖性層之間電阻率差異均大于20 Ω·m，差異較為明顯，因此可首先選擇在地表變形區及其鄰區部署高密度電法探測，利用該方法工作效率高、成本低的優點快速摸清地下地層結構情況，再結合地質資料，初步判斷油頁巖分布區域和深度，識別斷層等可能對微動推測產生干擾的區域。此外，若采空區未充水則表現為高阻異常，若采空區充水則表現為低阻異常[19]，將其與微動結果相互驗證，可降低單一物性參數產生的多解性。

針對采空區規模小、分布雜亂的特點，在由高密度電法圈定的油頁巖分布區域開展了微動勘探工作。不論采空區是否充水，其相對圍巖都表現為低速特征，再結合采空區埋深淺的特點，因此微動探測將重點關注淺部低速異常區，據此圈定采空區的分布位置和形態。

表1 潭頭盆地主要巖性電阻率測試結果[18]

2 物探工作方法與數據處理

2.1 高密度電法

高密度電法是直流電阻率法的一個分支，與常規電阻率法相同，通過發射電極A、B向地下供入電流I，測量M、N極之間的電位差ΔU，從而求得一定深度范圍內地層的視電阻率值。為了提升探測效率，高密度電法通過一次布設多個電極，利用儀器控制改變各電極在發射電極和測量電極間的“角色”轉換與組合，完成電阻率剖面測量和測深工作，獲得相對較多的地層信息，所測數據經過處理與反演獲得電阻率斷面圖。

本次研究使用重慶奔騰WDA-1B（120道）高密度電法儀開展數據采集工作，一次布設電極120根，電極間距為5 m，選用溫納裝置，供電時間200 ms，采用滾動測量的方式延長剖面長度，測量層數33層。在實地調查基礎上，根據地面房屋變形分布情況，結合地形條件，布設高密度電法剖面2條（圖1），點距均為5m，其中G1剖面長940 m，測量點數 4 553個，G2剖面長890 m，測量點數4 224個。

對實測數據進行畸變點剔除、地形校正，利用阻尼最小二乘反演算法進行反演計算，獲得相應測線下方的電阻率斷面。G1剖面經過4次迭代，擬合誤差1.7%，G2剖面經過5次迭代，擬合誤差6.45%。圖2給出了2條剖面的原始視電阻率擬斷面與由反演結果經正演計算得到的視電阻率擬斷面的對比，可以看出二者相似性較好，說明反演電阻率模型可靠，可用于后續的地質解釋。

圖2 高密度電法視電阻率擬斷面

2.2 微動勘探

地球上人類活動和各種自然現象引發的微弱震動稱為微動，它是一種由體波和面波組成的復雜震動，其中面波能量占微動總能量的2/3以上，信噪比高，在分層的地層介質會攜帶很多地層介質信息。因面波在一定時空范圍內滿足統計穩定性，可從觀測到的微動信號中提取面波的頻散曲線，通過對頻散曲線的反演來推斷地殼淺部的橫波速度結構[20]。其理論基礎由Aki[21]和Capon[22-23]于20世紀中葉提出[21-23]，Okada等[24-25]在此基礎上于20世紀90年代將其系統化，20世紀80年代，王振東[26-27]將該方法引入我國。微動勘探通常是利用拾震器記錄面波垂直分量信號（面波質點位移的垂直分量約為水平分量的1.5倍），再通過數據處理從記錄的信號中提取面波頻散曲線。

根據高密度電法反演結果和推斷解釋，在G1剖面選擇泥巖、砂巖地層埋深較淺的445～685區段布設微動測線W1，包含測點9個，點距30 m，測線長度240 m; 在G2剖面選擇160～550區段布設微動測線W2，兼顧電性模型推斷的采空區和泥巖、砂巖埋深較淺區，包含測點14個，點距同為30 m，測線長度390 m。為了降低物探結果多解性，微動剖面與高密度電法剖面相應區段重合。根據前人工作經驗，觀測系統選用三層嵌套式等邊三角形臺陣（圖3），結合實驗結果，確定最小邊長15 m，最大邊長60 m，每個測點共布設10個拾振器。

圖3 三層嵌套式等邊三角形臺陣

使用北京水電物探研究所WD-1（有線）型設備，動態范圍120 dB，2 Hz拾震器進行數據采集。采樣過程中，采樣率設置為5 ms，因所用儀器可在采集現場實時顯示頻散曲線，采集過程中頻散曲線形態穩定即可終止采集，因此各點連續記錄時長略有差異，總體約13 min。采集過程中實時關注現場頻散曲線形態，及時調整迭代頻率范圍，直至頻散曲線形態正常，共獲得高質量微動測點23個。

目前常用的頻散曲線提取方法有頻率-波數法（F-K法）、空間自相關法（SPAC法）和擴展的空間自相關法（ESPAC法）[28]。其中，空間自相關法因其精度高、方法成熟，在實踐中應用更為普遍，本次野外采集的地震記錄即選用該方法獲得面波頻散相速度數據。圖4給出了部分測點頻散曲線，圖中橫坐標vc為相速度，縱坐標L/2為半波長。

圖4 微動部分測點頻散曲線

對于采空區探測而言，只需了解剖面上橫波速度的相對變化，無需精確獲得橫波速度絕對值[29]，故未進行反演工作，僅對相速度按周期作提高峰度計算，獲得視速度

式中:vx,i為周期i的視速度，m/s；vc,i為周期i的相速度,m/s；ti為周期。再結合地形高程數據，即可得到二維視速度映像圖。

3 物探成果解釋與驗證

3.1 高密度電法成果解釋

圖5、圖6分別為G1、G2測線反演電阻率斷面和相應的地質解釋?？梢钥闯?，該區域地下電性結構總體呈現出較好的層狀特征，由淺至深電阻率逐漸升高，電阻率范圍為3～500 Ω·m，這與該區地質情況相符。淺部電阻率小于10 Ω·m的薄層推斷為第四系沖洪積層，厚度約10 m，局部有增厚現象； 淺覆蓋層之下，電阻率10～100 Ω·m電性層推斷為新生界古近系砂、泥巖互層，也是油頁巖的可能分布層位； 深部電阻率大于100 Ω·m的電性體推斷為古近系砂巖層。

G1剖面中，440～520 m和640～720 m的砂泥巖層中出現電性梯度帶，表現為相對低阻特征，且體現出一定的規模，結合民采活動采礦深度和規模有限（30 m以淺范圍）的情況，推斷為2條隱伏斷裂破碎帶。G2剖面160～200、580～600、620～760 m區段出現電性梯度帶，表現為相對低阻特征，且體現出一定的規模，與G1剖面同理，推斷其為3條規模、產狀不同的隱伏斷裂破碎帶； G2剖面260～300 m區段的低阻異?？赡転椴煽諈^充水引起。2條剖面的其他區段未見明顯的電性異常，無法判斷采空區的分布范圍，推斷可能與采空區規模小、塌落、碎石充填以及圍巖電性差異不明顯有關。

圖5 G1剖面高密度電法反演結果（上）與地質解釋（下）

圖6 G2剖面高密度電法反演結果（上）與地質解釋（下）

3.2 微動勘探成果解釋

圖7為W1、W2剖面的二維視速度（vx）映像圖?？梢钥闯?，探測區域地下結構總體呈現層狀結構特點，垂向上隨著深度增加，視速度逐漸增高，橫向波速變化不明顯，等值線的起伏基本反映沉積地層界面形態，這與高密度電法的探測結果有著較好的對應關系。

圖7 微動剖面二維視速度映像

W1剖面二維視速度映像圖中，445～545區段，標高550 m下方出現一系列“串珠狀”低速異常，這與根據電性特征推斷的隱伏斷層F1的空間位置有較好的對應關系，推斷低速異常帶為斷層破碎帶的反映； 645～685區段，標高560 m下方的“串珠狀”低速異常帶與推斷的隱伏斷層F2的空間位置有較好的對應關系，推斷此低速異常帶為斷層破碎帶的反映； 在535～580區段，標高560～540 m深度范圍內橫向上相對于周邊區域出現明顯的“圈閉狀”低速異常，該低速異常位于根據電性結構推斷的砂、泥巖互層（油頁巖賦存地層）內，且該區段砂泥巖層埋深較淺（約5 m），便于民采活動，結合該段地面房屋變形嚴重的實際情況，該區為油頁巖采空區的可能性較大。綜合高密度電法和微動勘探結果，在W1剖面535～580區段，標高540～560 m 深度范圍內可能存在采空區。

W2剖面上，根據低阻異常推斷的采空區在視速度映像圖上表現為橫向延伸較大的寬緩低速異常，推斷該低速異?？赡転楣沤的鄮r、砂巖地層出現凹陷，使得第四系沖洪積層增厚所引起。在220～270 m區段，標高560 m下方出現近直立的低速異常，與根據電性特征推斷的產狀較陡的砂巖地層在空間位置上有較好的對應關系，分析認為出現該低速異常是因為該區域地下地層產狀較陡，不滿足微動勘探適用于水平層狀介質的理論假設，造成對相速度的低估而出現的低速假異常。綜合高密度電法和微動勘探結果，W2剖面覆蓋區域存在采空區的可能性較小。

3.3 鉆探驗證

根據物探結果，推斷G1剖面535～580區段，標高540～560 m深度范圍內可能存在采空區。為了驗證這一推斷的可靠性，結合地面房屋分布的實際情況，在G1測線575 m處實施了GZK-01，終孔深度51 m?？變?～6 m為第四系粉質黏土，其下為泥巖、粉砂巖互層，局部深度見煤線及油頁巖層（圖8）。鉆孔施工至標高561 m時，出現鉆進突然加速，鉆井液大量漏失的現象，標高558～561 m段的巖心呈黑色碎塊狀，采取率不足。鉆進情況和巖心特征證實該深度范圍為油頁巖采空區，且采空區出現塌落情況，被碎石充填，但未充水。推斷結果得到驗證，證明了該組合方法探測小尺度老采空區的有效性。

圖8 GZK-01鉆孔柱狀圖Fig.8 Columnar section of Bore Hole GZK-01

3.4 討論

在利用組合方法對采空區進行探測的過程中，高密度電法和微動各自發揮著不同的作用。

高密度電法快速獲得了較高精度的地下電性結構信息，為地層劃分、地層產狀判斷和構造識別提供幫助。但同時也注意到，由于小尺度采空區規模較小，尤其是老采空區發生塌落充填后，與圍巖電性差異降低，其在電性結構上難以引起可識別的異常,如G1剖面中的采空區段在電性結構上毫無反映。此外，僅僅依靠電性異常容易引起誤判，例如G2剖面中局部地段中的低阻異常，后經鉆孔揭露實為砂、泥巖層下凹，第四系蓋層增厚的反映。

微動勘探較好地識別了小尺度采空區引起的低速異常，但其同時容易受構造和陡立地層引起的低速異常的干擾，如W1剖面445～545 m區段的隱伏斷層產生一系列“串珠狀”低速異常，W2剖面220～270 m區段陡立地層引起的低速異常。

此外，還有一個問題需要注意，2種方法綜合應用雖然可有效識別出小規模老采空區，但在采空區底界面的推斷上還不夠準確。如GZK-01揭露的采空區規模在縱向上小于W1剖面低速異常推斷的采空區規模，存在“下拉”現象，無法準確圈定采空區規模，仍需借助鉆探工作驗證，這可能與其“體積效應”有關。解決這一問題需開展進一步的探索研究工作。

4 結論

（1）利用微動和高密度電法組合勘探，可有效探測小尺度油頁巖老采空區的分布位置，采空區在面波二維視速度映像圖上表現為低速異常。

（2）高密度電法在組合方法中主要用于地層劃分，縮小微動勘探的目標區域，排除構造和陡立地層引起的低速異常干擾。

（3）該組合方法雖能推斷油頁巖采空區的分布位置，但在采空區底界面的判斷上還不夠準確，相較于實際情況，底界面下延，需借助鉆探工作確定底界面深度，才能準確圈定采空區規模。

致謝：本項目在微動數據采集和數據處理方面得到北京水電物探研究所劉云禎所長、金榮杰老師和該所技術人員的大力支持和無私幫助，此外，項目組成員崔鑫、王延州、李宏等同志在整個施工過程中付出了艱辛的努力，在此一并表示感謝！