賈煦， 孫建偉， 劉向東， 程賢達(dá)， 黃虹霖

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安礦產(chǎn)資源調(diào)查中心，陜西 西安 710100；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083）

0 引言

地下油頁(yè)巖開(kāi)采后會(huì)形成一定規(guī)模的采空區(qū)，采空區(qū)沉降或塌陷會(huì)對(duì)地面建筑和環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響。目前，采空區(qū)探測(cè)主要采用鉆探和物探方法[1]。鉆探方法精度高，準(zhǔn)確直觀，但成本較高，對(duì)大范圍的采空區(qū)探測(cè)或復(fù)雜采空區(qū)探測(cè)，尤其是缺乏歷史資料的采空區(qū)探測(cè)可行性不高。物探方法經(jīng)濟(jì)快捷，不僅可以確定采空區(qū)的平面位置，還能直接顯現(xiàn)采空區(qū)的空間形態(tài)特征，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用[2-3]。但是每種方法都有其適用性和局限性，需要根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)特征，選擇合理的方法或方法組合來(lái)進(jìn)行探測(cè)。

欒川縣趙莊村一帶曾于20世紀(jì)有過(guò)多期次油頁(yè)巖開(kāi)采活動(dòng)，隨著時(shí)間推移，采空區(qū)地面沉降問(wèn)題逐漸凸顯，多處房屋出現(xiàn)變形開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)人居安全產(chǎn)生威脅，急需查明采空區(qū)分布范圍和空間形態(tài)特征，以便有效預(yù)測(cè)地面沉降的發(fā)展趨勢(shì)，控制和減輕地面沉降的危害。然而，由于該區(qū)采礦活動(dòng)歷史久遠(yuǎn)，采掘相關(guān)資料缺失，給采空區(qū)探測(cè)帶來(lái)一定難度。

微動(dòng)勘探具有簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、不受電磁干擾影響、對(duì)環(huán)境及地形適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)探測(cè)村莊覆蓋區(qū)之下的速度異常區(qū)域具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4]。前人多是將其用于大規(guī)模采空區(qū)的探測(cè)[5-8]，對(duì)于小尺度老采空區(qū)的探測(cè)報(bào)道相對(duì)較少。本文針對(duì)趙莊村一帶的采空區(qū)問(wèn)題，嘗試將微動(dòng)與高密度電法組合進(jìn)行探測(cè)實(shí)驗(yàn)，研究其用于小尺度油頁(yè)巖老采空區(qū)探測(cè)的可行性。

1 采空區(qū)地質(zhì)背景及物探方法選擇

1.1 采空區(qū)地質(zhì)背景

欒川縣趙莊村一帶屬于潭頭盆地油頁(yè)巖分布區(qū)，位于秦嶺地軸北側(cè)的三級(jí)構(gòu)造中。區(qū)內(nèi)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(zhì)長(zhǎng)石粉砂巖不等厚互層，中部為礫巖、含礫砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖，上部為礫巖與鈣質(zhì)長(zhǎng)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(xì)粒巖屑石英砂巖，中部和上部為薄-中層泥晶灰?guī)r夾泥巖，部分區(qū)域夾油頁(yè)巖及煤線，該套地層是本次勘探對(duì)比解釋的主要目的層。第四系沖洪積層為含礫粉砂質(zhì)黏土、含礫砂質(zhì)黏土夾礫石層。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景與工作部署

研究區(qū)所屬潭頭盆地受揚(yáng)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(yíng)大斷裂為界，東側(cè)受NE向斷裂控制，總體呈現(xiàn)向SE傾斜的掀斜式單向斷陷盆地，區(qū)內(nèi)發(fā)育2組裂隙，分別為69°～90°和340°～360°。

1.2 采空區(qū)特征

通過(guò)實(shí)地調(diào)查和走訪群眾，趙莊村一帶采空區(qū)有以下4個(gè)特點(diǎn): ①規(guī)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(kāi)采設(shè)備，埋深普遍在30 m以淺； ③分布雜亂無(wú)序，因開(kāi)采活動(dòng)無(wú)統(tǒng)一規(guī)劃，且從20世紀(jì)初至20世紀(jì)70年代有過(guò)不同期次的開(kāi)采歷史，致使采空區(qū)分布雜亂； ④相關(guān)資料缺乏。

1.3 物探方法選擇

目前，采空區(qū)探測(cè)常用的物探方法可分為3大類(lèi)，即地震類(lèi)方法、電磁類(lèi)方法和放射性探測(cè)[9-17]。地震類(lèi)方法主要根據(jù)采空區(qū)相對(duì)于圍巖通常表現(xiàn)為低速異常來(lái)識(shí)別,電磁類(lèi)方法主要根據(jù)采空區(qū)充水與否，表現(xiàn)為高阻或低阻異常來(lái)識(shí)別,放射性探測(cè)則主要根據(jù)采空區(qū)通常為氡氣匯集區(qū)，相對(duì)于周?chē)憩F(xiàn)為高氡氣異常來(lái)識(shí)別。人工源地震因震源激發(fā)存在安全隱患和環(huán)境噪聲污染，考慮到研究區(qū)人員聚集的實(shí)際情況，該方法不具備實(shí)施條件。電磁類(lèi)方法因受人文電磁干擾影響，效果難以保障。微動(dòng)勘探觀測(cè)方法便捷，無(wú)需人工震源，不受電磁干擾影響，對(duì)環(huán)境噪聲無(wú)特殊要求，因而對(duì)工作區(qū)的適用性較其他方法更強(qiáng)，本次研究將其作為主要探測(cè)方法。為了減少斷裂構(gòu)造或其他地質(zhì)條件引起的低速異常對(duì)微動(dòng)探測(cè)的干擾，同時(shí)開(kāi)展了高密度電法勘探，以期與微動(dòng)勘探相互驗(yàn)證，提升推斷解釋的準(zhǔn)確性。

由于研究區(qū)資料缺乏，因此本區(qū)地層電性特征參考的是鄰區(qū)的以往資料。由表1[18]可見(jiàn)，區(qū)內(nèi)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(qū)及其鄰區(qū)部署高密度電法探測(cè)，利用該方法工作效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)快速摸清地下地層結(jié)構(gòu)情況，再結(jié)合地質(zhì)資料，初步判斷油頁(yè)巖分布區(qū)域和深度，識(shí)別斷層等可能對(duì)微動(dòng)推測(cè)產(chǎn)生干擾的區(qū)域。此外，若采空區(qū)未充水則表現(xiàn)為高阻異常，若采空區(qū)充水則表現(xiàn)為低阻異常[19]，將其與微動(dòng)結(jié)果相互驗(yàn)證，可降低單一物性參數(shù)產(chǎn)生的多解性。

針對(duì)采空區(qū)規(guī)模小、分布雜亂的特點(diǎn)，在由高密度電法圈定的油頁(yè)巖分布區(qū)域開(kāi)展了微動(dòng)勘探工作。不論采空區(qū)是否充水，其相對(duì)圍巖都表現(xiàn)為低速特征，再結(jié)合采空區(qū)埋深淺的特點(diǎn)，因此微動(dòng)探測(cè)將重點(diǎn)關(guān)注淺部低速異常區(qū)，據(jù)此圈定采空區(qū)的分布位置和形態(tài)。

表1 潭頭盆地主要巖性電阻率測(cè)試結(jié)果[18]

2 物探工作方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 高密度電法

高密度電法是直流電阻率法的一個(gè)分支，與常規(guī)電阻率法相同，通過(guò)發(fā)射電極A、B向地下供入電流I，測(cè)量M、N極之間的電位差ΔU，從而求得一定深度范圍內(nèi)地層的視電阻率值。為了提升探測(cè)效率，高密度電法通過(guò)一次布設(shè)多個(gè)電極，利用儀器控制改變各電極在發(fā)射電極和測(cè)量電極間的“角色”轉(zhuǎn)換與組合，完成電阻率剖面測(cè)量和測(cè)深工作，獲得相對(duì)較多的地層信息，所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作，一次布設(shè)電極120根，電極間距為5 m，選用溫納裝置，供電時(shí)間200 ms，采用滾動(dòng)測(cè)量的方式延長(zhǎng)剖面長(zhǎng)度，測(cè)量層數(shù)33層。在實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)地面房屋變形分布情況，結(jié)合地形條件，布設(shè)高密度電法剖面2條（圖1），點(diǎn)距均為5m，其中G1剖面長(zhǎng)940 m，測(cè)量點(diǎn)數(shù) 4 553個(gè)，G2剖面長(zhǎng)890 m，測(cè)量點(diǎn)數(shù)4 224個(gè)。

對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行畸變點(diǎn)剔除、地形校正，利用阻尼最小二乘反演算法進(jìn)行反演計(jì)算，獲得相應(yīng)測(cè)線下方的電阻率斷面。G1剖面經(jīng)過(guò)4次迭代，擬合誤差1.7%，G2剖面經(jīng)過(guò)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(jié)果經(jīng)正演計(jì)算得到的視電阻率擬斷面的對(duì)比，可以看出二者相似性較好，說(shuō)明反演電阻率模型可靠，可用于后續(xù)的地質(zhì)解釋。

圖2 高密度電法視電阻率擬斷面

2.2 微動(dòng)勘探

地球上人類(lèi)活動(dòng)和各種自然現(xiàn)象引發(fā)的微弱震動(dòng)稱為微動(dòng)，它是一種由體波和面波組成的復(fù)雜震動(dòng)，其中面波能量占微動(dòng)總能量的2/3以上，信噪比高，在分層的地層介質(zhì)會(huì)攜帶很多地層介質(zhì)信息。因面波在一定時(shí)空范圍內(nèi)滿足統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定性，可從觀測(cè)到的微動(dòng)信號(hào)中提取面波的頻散曲線，通過(guò)對(duì)頻散曲線的反演來(lái)推斷地殼淺部的橫波速度結(jié)構(gòu)[20]。其理論基礎(chǔ)由Aki[21]和Capon[22-23]于20世紀(jì)中葉提出[21-23]，Okada等[24-25]在此基礎(chǔ)上于20世紀(jì)90年代將其系統(tǒng)化，20世紀(jì)80年代，王振東[26-27]將該方法引入我國(guó)。微動(dòng)勘探通常是利用拾震器記錄面波垂直分量信號(hào)（面波質(zhì)點(diǎn)位移的垂直分量約為水平分量的1.5倍），再通過(guò)數(shù)據(jù)處理從記錄的信號(hào)中提取面波頻散曲線。

根據(jù)高密度電法反演結(jié)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(qū)段布設(shè)微動(dòng)測(cè)線W1，包含測(cè)點(diǎn)9個(gè)，點(diǎn)距30 m，測(cè)線長(zhǎng)度240 m; 在G2剖面選擇160～550區(qū)段布設(shè)微動(dòng)測(cè)線W2，兼顧電性模型推斷的采空區(qū)和泥巖、砂巖埋深較淺區(qū)，包含測(cè)點(diǎn)14個(gè)，點(diǎn)距同為30 m，測(cè)線長(zhǎng)度390 m。為了降低物探結(jié)果多解性，微動(dòng)剖面與高密度電法剖面相應(yīng)區(qū)段重合。根據(jù)前人工作經(jīng)驗(yàn)，觀測(cè)系統(tǒng)選用三層嵌套式等邊三角形臺(tái)陣（圖3），結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定最小邊長(zhǎng)15 m，最大邊長(zhǎng)60 m，每個(gè)測(cè)點(diǎn)共布設(shè)10個(gè)拾振器。

圖3 三層嵌套式等邊三角形臺(tái)陣

使用北京水電物探研究所WD-1（有線）型設(shè)備，動(dòng)態(tài)范圍120 dB，2 Hz拾震器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采樣過(guò)程中，采樣率設(shè)置為5 ms，因所用儀器可在采集現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示頻散曲線，采集過(guò)程中頻散曲線形態(tài)穩(wěn)定即可終止采集，因此各點(diǎn)連續(xù)記錄時(shí)長(zhǎng)略有差異，總體約13 min。采集過(guò)程中實(shí)時(shí)關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)頻散曲線形態(tài)，及時(shí)調(diào)整迭代頻率范圍，直至頻散曲線形態(tài)正常，共獲得高質(zhì)量微動(dòng)測(cè)點(diǎn)23個(gè)。

目前常用的頻散曲線提取方法有頻率-波數(shù)法（F-K法）、空間自相關(guān)法（SPAC法）和擴(kuò)展的空間自相關(guān)法（ESPAC法）[28]。其中，空間自相關(guān)法因其精度高、方法成熟，在實(shí)踐中應(yīng)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(shù)據(jù)。圖4給出了部分測(cè)點(diǎn)頻散曲線，圖中橫坐標(biāo)vc為相速度，縱坐標(biāo)L/2為半波長(zhǎng)。

圖4 微動(dòng)部分測(cè)點(diǎn)頻散曲線

對(duì)于采空區(qū)探測(cè)而言，只需了解剖面上橫波速度的相對(duì)變化，無(wú)需精確獲得橫波速度絕對(duì)值[29]，故未進(jìn)行反演工作，僅對(duì)相速度按周期作提高峰度計(jì)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(jié)合地形高程數(shù)據(jù)，即可得到二維視速度映像圖。

3 物探成果解釋與驗(yàn)證

3.1 高密度電法成果解釋

圖5、圖6分別為G1、G2測(cè)線反演電阻率斷面和相應(yīng)的地質(zhì)解釋。可以看出，該區(qū)域地下電性結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)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(qū)地質(zhì)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(xiàn)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(yè)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(xiàn)電性梯度帶，表現(xiàn)為相對(duì)低阻特征，且體現(xiàn)出一定的規(guī)模，結(jié)合民采活動(dòng)采礦深度和規(guī)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(qū)段出現(xiàn)電性梯度帶，表現(xiàn)為相對(duì)低阻特征，且體現(xiàn)出一定的規(guī)模，與G1剖面同理，推斷其為3條規(guī)模、產(chǎn)狀不同的隱伏斷裂破碎帶； G2剖面260～300 m區(qū)段的低阻異?？赡転椴煽諈^(qū)充水引起。2條剖面的其他區(qū)段未見(jiàn)明顯的電性異常，無(wú)法判斷采空區(qū)的分布范圍，推斷可能與采空區(qū)規(guī)模小、塌落、碎石充填以及圍巖電性差異不明顯有關(guān)。

圖5 G1剖面高密度電法反演結(jié)果（上）與地質(zhì)解釋（下）

圖6 G2剖面高密度電法反演結(jié)果（上）與地質(zhì)解釋（下）

3.2 微動(dòng)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(cè)區(qū)域地下結(jié)構(gòu)總體呈現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(tài)，這與高密度電法的探測(cè)結(jié)果有著較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 微動(dòng)剖面二維視速度映像

W1剖面二維視速度映像圖中，445～545區(qū)段，標(biāo)高550 m下方出現(xiàn)一系列“串珠狀”低速異常，這與根據(jù)電性特征推斷的隱伏斷層F1的空間位置有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，推斷低速異常帶為斷層破碎帶的反映； 645～685區(qū)段，標(biāo)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(duì)應(yīng)關(guān)系，推斷此低速異常帶為斷層破碎帶的反映； 在535～580區(qū)段，標(biāo)高560～540 m深度范圍內(nèi)橫向上相對(duì)于周邊區(qū)域出現(xiàn)明顯的“圈閉狀”低速異常，該低速異常位于根據(jù)電性結(jié)構(gòu)推斷的砂、泥巖互層（油頁(yè)巖賦存地層）內(nèi)，且該區(qū)段砂泥巖層埋深較淺（約5 m），便于民采活動(dòng)，結(jié)合該段地面房屋變形嚴(yán)重的實(shí)際情況，該區(qū)為油頁(yè)巖采空區(qū)的可能性較大。綜合高密度電法和微動(dòng)勘探結(jié)果，在W1剖面535～580區(qū)段，標(biāo)高540～560 m 深度范圍內(nèi)可能存在采空區(qū)。

W2剖面上，根據(jù)低阻異常推斷的采空區(qū)在視速度映像圖上表現(xiàn)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(xiàn)凹陷，使得第四系沖洪積層增厚所引起。在220～270 m區(qū)段，標(biāo)高560 m下方出現(xiàn)近直立的低速異常，與根據(jù)電性特征推斷的產(chǎn)狀較陡的砂巖地層在空間位置上有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析認(rèn)為出現(xiàn)該低速異常是因?yàn)樵搮^(qū)域地下地層產(chǎn)狀較陡，不滿足微動(dòng)勘探適用于水平層狀介質(zhì)的理論假設(shè)，造成對(duì)相速度的低估而出現(xiàn)的低速假異常。綜合高密度電法和微動(dòng)勘探結(jié)果，W2剖面覆蓋區(qū)域存在采空區(qū)的可能性較小。

3.3 鉆探驗(yàn)證

根據(jù)物探結(jié)果，推斷G1剖面535～580區(qū)段，標(biāo)高540～560 m深度范圍內(nèi)可能存在采空區(qū)。為了驗(yàn)證這一推斷的可靠性，結(jié)合地面房屋分布的實(shí)際情況，在G1測(cè)線575 m處實(shí)施了GZK-01，終孔深度51 m?？變?nèi)0～6 m為第四系粉質(zhì)黏土，其下為泥巖、粉砂巖互層，局部深度見(jiàn)煤線及油頁(yè)巖層（圖8）。鉆孔施工至標(biāo)高561 m時(shí)，出現(xiàn)鉆進(jìn)突然加速，鉆井液大量漏失的現(xiàn)象，標(biāo)高558～561 m段的巖心呈黑色碎塊狀，采取率不足。鉆進(jìn)情況和巖心特征證實(shí)該深度范圍為油頁(yè)巖采空區(qū)，且采空區(qū)出現(xiàn)塌落情況，被碎石充填，但未充水。推斷結(jié)果得到驗(yàn)證，證明了該組合方法探測(cè)小尺度老采空區(qū)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(duì)采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，高密度電法和微動(dòng)各自發(fā)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(jié)構(gòu)信息，為地層劃分、地層產(chǎn)狀判斷和構(gòu)造識(shí)別提供幫助。但同時(shí)也注意到，由于小尺度采空區(qū)規(guī)模較小，尤其是老采空區(qū)發(fā)生塌落充填后，與圍巖電性差異降低，其在電性結(jié)構(gòu)上難以引起可識(shí)別的異常,如G1剖面中的采空區(qū)段在電性結(jié)構(gòu)上毫無(wú)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(jīng)鉆孔揭露實(shí)為砂、泥巖層下凹，第四系蓋層增厚的反映。

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

此外，還有一個(gè)問(wèn)題需要注意，2種方法綜合應(yīng)用雖然可有效識(shí)別出小規(guī)模老采空區(qū)，但在采空區(qū)底界面的推斷上還不夠準(zhǔn)確。如GZK-01揭露的采空區(qū)規(guī)模在縱向上小于W1剖面低速異常推斷的采空區(qū)規(guī)模，存在“下拉”現(xiàn)象，無(wú)法準(zhǔn)確圈定采空區(qū)規(guī)模，仍需借助鉆探工作驗(yàn)證，這可能與其“體積效應(yīng)”有關(guān)。解決這一問(wèn)題需開(kāi)展進(jìn)一步的探索研究工作。

4 結(jié)論

（1）利用微動(dòng)和高密度電法組合勘探，可有效探測(cè)小尺度油頁(yè)巖老采空區(qū)的分布位置，采空區(qū)在面波二維視速度映像圖上表現(xiàn)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(dòng)勘探的目標(biāo)區(qū)域，排除構(gòu)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(yè)巖采空區(qū)的分布位置，但在采空區(qū)底界面的判斷上還不夠準(zhǔn)確，相較于實(shí)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(zhǔn)確圈定采空區(qū)規(guī)模。

致謝：本項(xiàng)目在微動(dòng)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面得到北京水電物探研究所劉云禎所長(zhǎng)、金榮杰老師和該所技術(shù)人員的大力支持和無(wú)私幫助，此外，項(xiàng)目組成員崔鑫、王延州、李宏等同志在整個(gè)施工過(guò)程中付出了艱辛的努力，在此一并表示感謝！