地震层析成像在地下采空区探测中的应用

胡清龙 朱正君

【摘 要】地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，如何对地下采空区的分布范围、空间形态等特征，一直是困扰工程技术人员的关键技术难题。本文应用地震层析成像法在某大桥桥墩区进行探测，成功探测到地下采空区，为大桥桥墩设计提供了重要的设计依据。同时也验证了地震层析成像法是一种有效的地下采空区探测手段。

【关键词】地震层析成像，采空区，探测，应用

1 前言

地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点。因此，如何对地下采空区的分布范围、空间形态特征和采空区的冒落状况等进行量化评判，一直是困扰工程技术人员进行采空区潜在危害性评价及合理确定采空区处治对策的关键技术难题。

地震层析成像法是在两孔间采用一发多收的扇形观测系统，组成密集交叉的射线网络，然后根据射线的疏密程度及成像精度划分规则的成像单元，运用弯曲射线追踪理论，采用特殊的反演算法计算出各成像单元的地震纵波速度值，从而形成被测区域的波速图像（以等值线的形态来表示），根据波速差异来划分岩体的质量，确定地质构造及软弱岩带的空间分布。本文应用地震层析成像法在某大桥桥墩区进行探测，成功探测到地下采空区，为大桥桥墩设计提供了重要的设计依据。

2 测区地质条件与地球物理特征

桥址区位于某河左岸，附近有芒硝矿开采区。左岸为斜坡及缓坡平台，斜坡地带坡度一般30～50度，局部为陡坎。缓坡地带为残留的河流II级阶地，因农耕呈阶梯状平台地形。其中斜坡表部局部堆积人工弃渣，坡度一般15～40度。缓坡平台及斜坡地段表层多被坡残积（Q4el+dl）低液限粉质粘土覆盖，局部分布有第四系（Q4me）人工填筑土；河床及漫滩部位被冲洪积（Q4al+pl）的卵砾石土、漂卵石土及人工填筑土（Q4me）所覆盖。下伏基岩主要为白垩系灌口组（K1g）的粉砂质泥岩、钙质泥岩、角砾质粉砂质泥岩、含钙泥质芒硝。

通过现场测试，粉砂质泥岩、钙质泥岩、角砾质粉砂质泥岩的弹性波平均速度为2000～4000m/s，含钙泥质芒硝的弹性波平均速度为4500～5500m/s，具备地球物理勘测前提条件。

3 野外数据采集与资料处理

野外工作方法采用一发多收扇形观测系统，一钻孔激发，另一钻孔接收（如图1所示）。数据采集仪器为WZG-48A型地震仪，钻孔成像检波器为压电式井中检波器串，钻孔间成像震源为电火花震源，检波器间距和震源点距均为1m。

将获得的地震透射有效记录读取初至走时，并与相应的激发及接收点坐标形成数据文件。采用地震透射层析成像数据处理系统，将各成像区域划分成2m×2m的成像单元，首先进行5次直线迭代，建立初始模型，再进行6次最小走时射线追踪，将其结果加权平滑形成地震波速图像。以级差200m/s绘制地震纵波速度等值线，最终形成地震波层析成像波速图。

图1 地震层析成像（CT）观测方式示意图

4 测试成果与分析

本次物探工作，对某大桥桩桥位ZK02、ZK03两个钻孔进行了地震层析成像（CT）测试。以获取两孔之间最终的波速剖面，评判两孔之间是否存在采空区。其中，ZK02孔口高程比ZK03孔口高程低6.5m。地震层析成像（CT）采用在ZK02孔内激发放炮，ZK03孔内接收地震波的方式进行测试，激发点距、接收点距均为1m，形成致密交叉射线网，地震层析成像（CT）成果见图2：

图2 地震层析成像（CT）速度剖面成果图

根据地震层析成像（CT）成果，并结合地质资料资料综合分析，地震波速度剖面均匀性很好，结构层次分明。根据成果图2宏观来看：ZK03孔0～63m段与ZK02孔0～43m段对应地震波速度较低，波速在1500～3000m/s，推测为对应的中风化钙质泥岩与中风化角砾质粉砂质泥岩。靠近ZK02孔一侧，14～30m段局部波速偏高为3000～3500m/s。ZK03孔63～100m段与ZK02孔43～95m段對应地震波速度较高，波速在4000～5500m/s，该段岩石致密，推测为微风化含钙泥质芒硝。靠近ZK02孔一侧，50～55m段局部波速偏低为3000～3500m/s，推测为采空区（图2中黑色椭圆区域）。

5 结语

（1）地震层析成像法能以图像的形式直观清晰地显示地下物质结构的属性，确定地下物质的精细结构和不均匀性。

（2）通过对某大桥桥墩区进行探测，成功探测到地下采空区，验证了地震层析成像法是一种有效的地下采空区探测手段。

参考文献

[1] 田宗勇。地震层析成像在水利水电工程地质勘察中的应用[J]。CT理论与应用研究，1997，6（3）：32-35。

[2] 冯彦谦，赵广茂，孟宪波。井间地震层析成像技术的应用[J]。物探与化探，2011，35（3）：345-348。

[3] 和锐，杨建思，张翼。地震层析成像方法综述[J]。CT理论与应用研究，2007，16（1）：35-48。