浅层小尺度隐伏断层地表勘探的正演模拟及应用

林承灏，王 雷，冯伟栋，彭刘亚，潘浩波

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

浅层小尺度隐伏断层地表勘探的正演模拟及应用

林承灏，王 雷，冯伟栋，彭刘亚，潘浩波

（安徽省地震局，安徽合肥 230031）

采用二维声波方程有限差分法对浅层小尺度隐伏断层地质模型的地震波场响应进行数值模拟，分别从震源位于断层下降盘顶、断层上升盘顶及断层顶三个不同位置进行正演模拟，对地震波场在断层模型中的传播规律及其地震记录变化特征进行了详细分析。结果表明多个单炮记录的变化对比不仅可以对断层进行快速有效的判断，而且为分析断层几何类型、估计断裂带范围与宽度等方面提供重要的依据。同时将模拟结果应用到实际生产中，取得了较好的应用效果。该方法能有效辅助实际野外工作中对断层的判断，为合理设计观测系统及采集参数设置提供指导，对提高浅层地震勘探现场工作效率和精度具有重要作用。

声波方程有限差分法；浅层小尺度隐伏断层；地震波场

0 引言

我国是一个多发地震国家，频度高、震级大、地震灾害严重是我国地震活动的显著特征，历史上有许多大、中城市均遭遇过破坏性地震的袭击［1－3］。地震的发生常受断层控制，尤其是中强以上地震与活断层关系更为紧密是目前一个公认事实［4］。随着社会经济的发展和城镇化步伐的加快，城市地震灾害对社会造成的危害也愈来愈大，因此活断层是震害防御和抗震设防研究的重点内容。通过开展城市活断层探测与地震危险性评价，查明活断层的分布，评价其危害性的大小，为城市发展规划、土地利用和城市防震减灾提供科学的依据，具有重大的经济和社会效益［5］。

近年来，高分辨率地震勘探作为城市活断层探测的主要方法，在城市活断层探测中取得了良好效果，并积累了许多宝贵经验，但是在实际生产过程中，不同地区地震地质条件、第四系覆盖层厚度以及目标断层上断点埋深等条件差异较大，对地震资料的采集、处理和解释带来了许多困扰［6－12］。为了进一步提高地震勘探质量和效率，优化野外采集观测系统，为地震数据处理和解释提供有力依据，本文在目前城市活断层探测工作的基础上，选取目标断层上断点埋深较浅，断距较小的浅层小尺度隐伏断层进行正演模拟，利用声波方程有限差分法模拟分析浅层小尺度隐伏断层（以下简称断层）地震波场响应特征［13－19］，并将模拟结果应用到野外生产中，在提高浅层地震勘探质量和效率等方面取得了满意的效果。

1 声波方程有限差分数值模拟

为了模拟分析断层地震波场响应特征，本文采用二维声波方程有限差分法进行正演模拟［20］，二维介质中的声波方程表示为

其中，v（x，z）为介质在（x，z）点处的纵波速度，u（x，z，t）为该点位移。利用Taylor公式，得到二阶精度时间差分近似为：

其中，Δt为时间采样间隔。

空间上四阶精度差分格式近似为：

其中，Δx，Δz分别为横向x，纵向z方向上空间采样间隔。

为了数值计算的稳定、收敛性，四阶差分的单元网格大小和采样率满足条件为：

其中，vmax为介质的最大波速，Δh＝min（Δx，Δz）。

为了消除人为边界带来的各种干扰波动，采用改进的吸收边界条件［21］，地表为自由表面，使得有效信息不受边界干扰。

2 浅层小尺度隐伏断层地震波场特征分析

2.1 正演模型构建

城市活断层探测主要目的层是第四系沉积地层［1］，其主要分布特点是近水平层状分布，层内物质属性相近，层间物质属性差异较大，因此，可以将层状地层看作横向各向同性介质。本文以典型的浅层小尺度隐伏断层为基础，以第四系水平层状地层为地质背景，建立浅层小尺度断层模型（图1）。其中，模型纵向和横向长度分别为200m和130m，断层倾角选取60°，断层性质为正断层，图中S1代表层位1与层位2分界面；S2代表层位2与层位3分界面，其中S21与S22分别表示上升盘和下降盘对应的层间分界面；S3代表层位3与层位4分界面，其中S31与S32分别表示上升盘和下降盘对应的层间分界面，断层模型地质参数见表1。

表1 断层模型地质参数Tab.1 Geological parameters of the fault model

观测系统采用2种方式，一种为中间放炮，炮点位于断层顶部B点，即100m位置；另一种为炮点位于断层顶部左侧A点和顶部右侧C点位置，即分别为70m和130m位置，接收道均为101道，道间距2m。采集参数选取地震子波为雷克子波，主频90Hz，采样间隔0.25ms，记录长度0.25s。

2.2 地震波场特征分析

为了更加全面地观测地震波场响应特征，在

上述地震地质模型的基础上，结合野外施工特点，分别从炮点位于断层A、B和C点位置建立观测系统并对地震波场特征进行分析。

（1）炮点位于断层上升盘顶A点

图2为A点放炮时地震波场快照，从图2中所表现出的波场变化可以看出：首先，当波前穿过S1层面时，形成反射波，并且地层2中行进的波前快于上覆地层1中波前，这是由于上覆地层1波速小于下伏地层2波速（图1a与1b）；其次，当波前行进至断层位置时，最先到达上升盘S21层面，形成反射波，由于层位被断层错断不连续，导致反射波中断，中断处断点位置形成断点绕射波，同样，当波前行进至S3层面是也具有相同的特征（图2c至图2f）。

（2）炮点位于断层顶B点

图3是为B点放炮所形成的的地震波场快照图，与图2相比，其波场特征较为复杂，主要表现在下面几点：

首先，图3a和3b中的地震波场特征与图2a和图2b一致，当波前行进至第一个层面S1时形

成反射波；其次，当波前行进至断层位置时，最先到达第一个拐点位置，形成断点绕射波，紧接着在断层上下盘均产生反射波，反射波与绕射波相连，形成弧形波前；再次，在波前沿着断层面行进过程中，由于断面两侧速度差异形成断面波，断面波与上升盘的端点绕射波相连，与下降盘的反射波斜交（图3c与3d）。需要指出的是，由于断面两侧地层速度差值是受地层厚度、断层落差等因素影响具有不稳定性，如图3e与图3f中层位3厚度大于断层落差，地层并未全部错开，断面部分区段两侧波速值相同，因此，图中形成能量时强时弱，时隐时现的倾斜“V”字形断面波（图3e与图3f），并且分别与断层下降盘层面S22与S32反射波斜交。

（3）炮点位于断层下降盘顶C点

图4是在C点放炮所形成的的地震波场快照图，从图中可以看出：首先，当波前行进至第一层底界面S1时形成反射波（图4a与4b）；其次，当波前行进至断层位置时，最先到达S22层面，形成能量较强的反射波，该反射波在断层位置断开，同时，在第一个拐点形成断点绕射波，在S21层面形成与断点绕射波相连的反射波，值得注意的是，与前面图2e和图3e相比，该处的S21层面与S22层面反射波以及断点绕射波波前几乎重叠，很难分辨（图4c与图4d）；再次，当波前沿着断层面行进过程中，形成与与图3特征基本一致的“娥眉”形断面波（图4e与图4f），该断面波与断层下降盘层面S22与S32反射波斜交。

（4）地震正演模拟记录分析

图5为炮点位于断层顶不同位置激发所获得的单炮记录，其中，a、b、c所示分别为炮点位于图1中A、B、C三种情况的单炮记录。从图5中可见：首先，S1层面未被断层错断，在三张单炮记录中的反射波波形均连续完整，能量较强，S2与S3层面反射波出现同相轴错断不连续，错断形成S21、S22和S31、S32两对下伏地层反射波，在同相轴错断处存在能量强弱不同的绕射波，该绕射波来自断层断点；其次，图5b与图5c中均接收到能量较强的断面波，断面波与上升盘断点绕射波相连，与下降盘反射波相交，并且将上下盘多个层位的波形串联，是识别断层的重要标志；再次，S21与S22之间以及S31与S32之间的相位差在图5a中的值大于图5b与图5c，表现为图5 a中断层上下盘反射波的分辨率逐较高，为断层上断点的确定提供了重要保证。

通过上述研究分析，获得以下重要结论：

（1）在浅层小尺度隐伏断层上部以点震源激发的声波场中存在地层反射波、断面波以及断点绕射波，断面波与同一层位的上升盘断点绕射波相连，与下降盘地层反射波相交，并且将上下盘中多个层位的反射波串连，是识别断层的重要特征波；

（2）震源位置的改变，断层地震波场响应特征也发生相应变化，当震源位于断层上升盘顶附近时，断层上下盘中同一层位的反射波相位差最大，断层分辨率最高，有利于上断点位置的确定，尤其对于地层厚度薄、断距较小的浅层隐伏断层；当震源位于断层下降盘时，断面波发育最完整，有利于单炮记录中断层的识别；当震源位于断层顶时，可以观测到整个断层的波场特征。

因此，根据浅层小尺度隐伏断层地震波场传播规律及地震记录特征，可以用来指导单炮记录中断层异常的快速识别，同时根据单炮记录的变化特征，为估计断裂带范围、宽度及断层埋深等特征提供依据。

3 应用实例

3.1 工程概况

六安市地震小区划隐伏断裂探测工作中，为了查明目标区内的几组隐伏断裂位置、产状等地质特征，项目组围绕现有地质资料，结合场地条件，布置了多条浅层地震勘探测线。目标区内局部地区露出新近纪、古近纪和白垩、侏罗纪地层，第四纪松散堆积物厚度分布不均，区内覆盖层厚度在20～40m，分布上呈北厚南薄。据已完成的钻孔资料揭示，第四纪覆盖层具备一定的厚度，且基岩面往上具备有效反射波的物性条件，为运用浅层地震勘探手段确定断裂的具体位置和上断点埋深提供了较为良好的客观条件。

本次工作运用前述正演模拟地震记录中断层的反映特征，结合已有地质资料，对可能存在断裂异常的单炮地震记录进行分析，最后利用多道地震记录叠加剖面进行验证。

3.2 地震记录分析

此次地震勘探观测系统采用中间激发对称观测系统，可控震源施工，采样率0.5ms，采样长度1024ms，道间距2m，炮间距6m，接收道数72道。在QZ4－2测线的原始单炮地震记录中发现1处疑似断点位置，命名为F1，根据前面地震模型数值模拟获得的单炮记录特征，本次工作在疑似断点两侧以及跨断层的位置挑选出较为典型原始单炮记录进行分析，同时选择一张未受断层影响的单炮记录作为对比，如图6所示，从测线小号端到大号端的单炮记录依次如图6a～6c所示，图6d为未受断层影响的对比单炮记录。

根据断层在地震模拟单炮记录中的反映特征，对图7中疑似断点附近的单炮记录进行分析，有以下几点认识：

（1）实际采集的单炮记录反射波双曲线特征没有模拟地震记录的清晰明显，但是基本特征保持一致。

（2）从整体上看，整个地震记录上发现一组反射波双曲线，其形态特征较为明显，当震源相对断层位置改变时，双曲线的形态出现较为明显的差异，如图6a～6c中，当震源位于某一断盘时，该断盘震相特征明显，另一断盘反射相位模糊甚至缺失。

（3）P1地层层面反射波出现同相轴错断不连续，错断形成P11和P12一对地层反射波，在同相轴错断处存在能量强弱不同的断点绕射波；并且图6a与6b中均反映出能量较弱的断面波，该特征是断层在地震波场中反映的重要特征，根据前面地震模型模拟记录特征，当炮点位于断层顶部和下降盘时，断面波特征明显，据此推断图6a与6b分别为断层下降盘和断层顶部，图6c即为上升盘。

（4）根据原始单炮记录中断层反映特征，第343至355炮（炮点桩号2124－2196）均受到来自

断层的影响，据此推断F1断层影响带宽度约72m（炮点桩号2124－2196）。

3.3 地震剖面解释验证

通过单炮地震记录分析判断断层位置及其特征等在很大程度上受单炮记录信噪比、分辨率影响，常规的分析方法是通过多道地震记录叠加即共中心点或反射点叠加方法，获取地震剖面图，其信噪比和分辨率明显高于单炮地震记录。因此，利用时间叠加剖面对原始单炮记录的解释结果进行验证具有可行性。

根据采集地震单炮记录，经过室内数据处理分析，获得该测线的时间叠加剖面图，图7为其中存在断层异常的一段剖面图。根据分析可知，P1波组双程反射时间约170～180ms，覆盖层平均波速约为320m／s，反映界面埋深约27～29m；F1为正断层，视倾向SW，视倾角约75°，根据同相轴错断情况推测破碎带宽度约 58m（桩号 2144－2202）。

通过上述应用实例，我们发现根据正演模拟的地震波场传播规律及地震记录特征可以较好的

指导实际单炮记录的反演工作，实际应用过程中需要注意以下几点：

（1）从整体到局部：根据整条测线上信噪比较高的正常单炮记录识别反射双曲线，通过双曲线异常变化特征初步圈定异常单炮记录范围。

（2）从深部到浅部：对于单炮记录中存在多组反射双曲线的情况下，应从深往浅分析，一方面由于断层是从深部向浅部发育，另一方面是一般情况下深部基岩断层错距较浅部松散层错距大，单炮记录中的相位特征更易识别分析。

（3）动态对比分析：横向上根据邻近多张单炮记录对比分析，纵向上利用深浅相位相互验证，进行动态分析。

（4）特征波分析：断面波及断点绕射波是断层识别的重要特征波，尤其是断面波对分析断层两盘的相对运动关系具有重要的价值。

由于受到外界环境随机干扰、断层破碎带的散射效应、地层起伏以及三维效应等，实际单炮记录中存在各种干扰波，导致断层正演模拟的结果在指导实际反演工作中存在一定局限性，后期可以通过构建更加精准的断层模型加以研究。

4 结论

通过声波方程有限差分法，对浅层小尺度断层模型进行高精度、高分辨率的地震正演模拟，分别从炮点位于断层上升盘、断层顶及下降盘位置激发情况下，断层在地震波场中的反映特征及其地震单炮记录进行了深入分析与总结。最后，将数值模拟研究所获得的断层反映特征认识应用到野外实际生产中去，通过与时间叠加剖面解释结果的对比验证，两者具有较好的一致性，取得了较好的应用效果。

（1）运用声波方程有限差分法，对浅层小尺度隐伏断层地质模型进行正演模拟，揭示了地震波在浅层物性差异小的层状介质模型中的波场特征及传播规律，有助于正确认识埋深浅、错距小、物性差小的断层在地震波场及记录中反映特征。

（2）根据正演模拟果，分析总结了炮点位于断层断盘不同位置所反映的地震记录差异，为通过地震记录分析断层几何类型，估计断裂带范围与宽度的可靠性和有效性提供了重要依据。

（3）由于在浅层地震勘探工作中，存在勘探深度浅、震源频带窄且持续时间长、地层厚度薄、层间波阻抗差异小，反射信号弱，不同层之间的信号相互影响，信号信噪比、分辨率较低等问题。通过研究断层模型正演模拟的响应特征，不仅可以辅助实际生产施工时建立合理的观测系统以及采集参数设置，而且通过多个单炮记录联合观察分析，可以对断层异常特征进行有效的判别，提高了勘探质量和效率。

（4）断层模型正演模拟研究，不仅可以提高野外勘探质量和效率，而且可以为地震数据处理提供依据和地震资料解释提供验证数据，可获得直接应用于生产的重要地震信息。

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Forward Modelling and Application of Shallow Small Scale Buried Fault Surface Exploration

Lin Chenghao，Wang Lei，Feng Weidong，Peng Liuya，Pan Haobo
（Earthquake Administration of Anhui Province，Hefei 230031，China）

Seismic wave field response of shallow small scale buried fault’s geological model was simulated by using two⁃dimensional acoustic wave equation finite difference method.The fault model were simulated from three different locations，namely on the top of downthrown side，upthrown side and fault respectively.The propagation rules of seismic wave field in fault model and the variation characteristics of seismic records were analyzed in detail.As a result，it not only identified fault quickly and effectively，but also provided important data to analysis of fault geometry type，the estimate of fault range and its width through the comparison and analysis of multiple single shot seismic records.At the same time，the simulation result was applied to the actual production and it has achieved good application effects.This method can effectively assist fault identification in practical production，and provide significant guidance to rational design of observation system and acquisition parameter set.It has an important role in improving efficiency and accuracy of shallow seismic prospecting.

acoustic wave equation finite difference method；shallow small scale of buried fault；seismic wave field

P631.4

A

1673－8047（2016）03－0045－08

2016－04－10

安徽省地震局科研合同制项目（201515）

林承灏（1984—），男，硕士，工程师，主要从事工程地球物理勘探。