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构造地裂缝的成因与地震勘探

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物探 地震资料解释 地震处理 反演
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·54· 煤田地质与勘探 a &E 001.32 004 文章编号:1001.1986(2004104造地裂缝的成因与地震勘探 李忠生 (长安大学地质工程与测绘工程学院,陕西西安710054) 摘要:对典型构造地裂缝的空间分布、活动特征、成因机制等方面进行了论述,认为构造地裂缝的内 因是地质断裂,外因是地下资源过量开采;在勘探构造地裂缝中,只要观测系统设计合理,参数选择 准确,资料处理得当,地震勘探可以准确地给出地裂缝从十几数及在地表的位置,满足科研和工程的要求。 关键词:地裂缝;地震勘探;构造;沉降;灾害;成因 中图分类号: 文献标识码:A 年来,随着我国经济的迅猛发展和人民生活 水平的大幅提高,过度开采地下资源(包括流体资源 和固体矿产资源)引发的地质灾害,也越来越频繁、 越严重。地面沉降和地裂缝便是其中两个最直接和 最明显的地质灾害。 今后半个世纪内,煤炭仍将是我国的主要一次 性能源…。50多年来的开采,使进一步开采煤炭资 源的条件越来越困难,今后无水体和建筑物影响的 煤炭资源愈趋匮乏,开采水体下(包括含水层下)、建 筑群下的煤炭资源势在必行,而煤炭的井下开采必 然导致地面沉降甚至地面塌陷。大面积的地面沉降 如果发生在地质构造区域,可引发大规模的地裂缝, 而先存断裂则可控制地裂缝的活动特征、空间展布 和发展趋势等。 与地面沉降引发的非构造地裂缝相比,构造地 裂缝显得更有规律性,同时也更具破坏性。鉴于目 前煤矿采空区地裂缝受地质构造控制的较少,故本 文将主要以西安地裂缝为例进行构造地裂缝的论 述。 2构造地裂缝特征及形成机理 2.1空间分布特征 地面沉降引发的构造地裂缝在平面上有着非常 明显的几何特征,以西安地裂缝为例,此以1 条地裂缝 的连贯性非常好,长度从几。 与西安地裂缝类似,大同地裂缝也都以北东方向展 布,长度从1 ]。除地表的几何分 布具有规律外,西安地裂缝的地下剖面都呈南降南 倾的正断层性质,倾角在70~80',甚至更陡。大量 的探槽和钻孔资料表明,西安地裂缝具生长断层性 质,错断地层的断距向下递增,在第四系底面,错断 可达上百m[ 。 2.2活动特征 西安地裂缝最早发现于上世纪50年代,成灾于 上世纪70年代,80年代达到高峰。综观地裂缝的 发展史可以发现,地裂缝与过量开采地下水息息相 关。1971~1975年,承压水开采急剧增加,地面沉降 此时也进入加速沉降期,地裂活动在沉降梯度带上 发生、扩展,成为数百976 ~1983年,承压水位快速下降,地面沉降也进入快 速沉降期,多条地裂缝在此期间双向扩展并逐渐贯 通,最终形成连续的地裂缝。另外,西安地裂缝活动 还具有明显的年周期性,即每年第3季度的活动量 最大,第4季度次之,而第1、2季度的活动量相对最 小进一步显示了深井抽水、地面沉降、地裂缝 活动三者之间的密切关系。据观测资料,出露地表 的地裂平均活动速率在速率高于该 地区活断层活动速率一个数量级。此外,西安地裂 缝还具有明显的三维运动一致性,以垂直位移量为 收稿日期:20047 基金项目:陕西省科学技术研究发展计划项目(99作者简介:李忠生(1964一),男,河北秦皇岛人,长安大学博士,主要从事物探及地质灾害研究工作. 维普资讯 :构造地裂缝的成因与地震勘探 ·55· 最大,南北拉张量次之,而水平错动量则很小,三者 之比为1:0.31:0.03西安市目前地裂缝活动中仍以主缝为强,次缝 仅在两条地裂带上出露地表。通过地表调查发现, 凡主缝活动发育地段则次缝活动不明显,而次缝活 动发育地段,其北侧主缝的活动相对较弱,甚至地表 出露不明显。 2.3成因机制 西安地区的地震震源机制解释资料统计结果及 地应力测量都表明,西安地区主压应力方向为应力方向为'安地区南北向的 强烈拉张应力场使西安市区南侧50 安断裂带的断裂面处于临空状态,在自重应力场 作用下临潼一长安断裂带产生了一系列次级断裂, 即11条西安地裂缝,并控制其走向和形态。地质力 学模拟试验结果充分地重现了这一构造重力扩展过 程b]。此外,近几十年来过量汲取地下承压水,使得 裂缝附近的架空和松动效应进一步加强,加速了这 种不平衡的进程。同样的原因也导致了大同地裂缝 灾害 。 3构造地裂缝的地震勘探 上世纪80年代后期,地震勘探方法首先被引入 到西安地裂缝研究中,并取得了成功【6 ;90年代初 期,该方法又在大同地裂缝研究中得到应用和发 展[3]。从90年代中后期至今,随着西安市大规模的 工程建设和城市扩张,十几年前地裂两端的城郊农 田,现大多已成为新开发的城区。这些新区的地裂 缝现大多处于隐伏状态,因此隐伏地裂缝又成为当 前地震勘探的主要目标。 针对西安地裂缝的性质和特点,经过多次试验 和摸索,我们总结出一套在西安巨厚第四系内实用 可行的地裂缝地震勘探方法。该方法分两部分,分 别适用于地裂缝的初勘和详勘。在普查初勘阶段, 地震勘探的主要目标是寻找地裂缝的深部构造特 征,给出其倾向、倾角及走向等地质构造参数。测线 长度多在几百 探方法选用反射波 勘探,覆盖次数多为6次。检波器道间距为5 ,最大不超过10 m。偏移距根据现场试验确定, 但一般在30—50 m,最大可达70 80 m。勘探目标 层深度在几十为此范围内的地裂缝 断距可达几较容易找到地裂缝异 常。震源多为炸药或地震枪,使用150 300 药震源,基本可以记录到300 采集仪器多选择为48道,采样率为0.5 。由于城 里诸多振动源的干扰,加之测线较长,炸药起爆后的补 炮比较烦琐等原因,数据采集多在夜间安静时进行。 在初勘结果的基础上,详勘阶段地震勘探的目 标是给出地裂缝在工程场地的确切位置,其观测系 统参数的选择主要考虑的是勘探精度。勘探目标层 深度为十几源激发选择为便捷 的锤击方式。受勘探目标深度和激发能量限制,采 集仪器接收道多为4道;反射波覆盖次数为6 一间距为1 2 m;偏移距多为0 由于偏移距和道距都很小,所以反射波勘探的最佳 接收窗口很小,上部浅层反射波与直达波和折射波 非常靠近,两组震相经常交织混淆在一起,因此检波 器主频要尽量高,多选用100 I'且不采用检波器 组合方式接收。后期资料处理中以提高分辨率为首 要任务,同时加大二维滤波力度,尽量提取出有效的 反射波信号。 根据上面设计参数,可以采集到比较好的野外 地震记录,图l(a)、(c)分别为初勘阶段和详勘阶段 的单炮记录。经过后期的资料处理,地震反射时间 剖面中构造地裂缝非常清晰(图1(b)、(d))。从反 射剖面上还可以看出,在第四系中,特别是较深处的 反射信号并不是从左到右非常连贯,而是呈现出各 地层互相交错局部连续的特点,其主要原因是西安 第四系各个层位的波阻抗差别不大,反射震相并不 是真正的某一个地层反射,而是复合层反射迭加的 结果。因此在最终剖面上识别地裂缝异常时,主要 判断依据是宏观上存在由上至下的倾斜错断,而不 是微观的某一个或几个地层的错断不连续。 为了验证地震勘探结果,在西安南郊一场地布 设了探槽。探槽深5.5 m,在5.2 槽底及两壁均有裂缝且连贯(见图2),隐伏地裂 缝的位置与地震勘探结果吻合。 4结语 过量开采地下资源不可避免要引起地面沉降, 进而导致地面裂缝的发生和发展。地裂缝的分布和 活动除与地下开采资源有关外,还受地质构造控制。 断裂控制了地裂缝的空间分布、内在形态和地面走 向,是地裂缝形成的内因;而人为因素引起的地面沉 降则控制了地裂缝的发展速率和发展趋势,起到了 推波助澜的外因作用。在勘探构造地裂缝中,地震 方法是行之有效的。只要观测系统设计合理,施工 参数选择准确,资料处理得当,地震勘探可以准确地 给出隐伏地裂缝从十几质构造参数及在地表的位置,满足科研和工程的 维普资讯 ·56 煤田地质与勘探 第32卷 距离,m 距离/m 0 b) 距离/0 70 90 (d) 图1野外单炮记录及反射时间剖面 炸药震源.偏移54m.遭距4 re:扶覆盖; 一野外单炮记录(做锤击震褥.偏移18m,道距2 d——详勘反射时间剖面.2开挖探槽内臆伏地裂缝照片(镜向:下) 要求。 考虑到今后有开采密集建筑群下煤炭的发展趋 势,文中将因过度开采地下水形成地面沉降进而引 发地裂缝的西安市作为实例加以论述,希望西安地 裂缝灾害能对未来城区地下开采煤炭的地质灾害研 究有所借鉴 参考文献 :1]中国煤炭学会.中国地质学会煤田地质专业委员会.发展中的 中国煤田地匝学[J]煤田地质与勘探,2003,31(6):1—5. [2]李永善 等编著西安地裂缝及{臂河盆地活断层研究[M].北 京:地震出版社,1992。[3 剂玉悔 陈志新,倪万魁等著.大同城市地质研究[M]西安:西 安地图出版杜.1995 [4]易学发.苏刚,王卫东西安地裂缝带舳基本特征与形成机翩 [J:地震地质,1997,):289—295. [5] 王兰生.李天斌 赵其华.浅生时技构造与人类工程[M].北京: 地质出艋社.1994 [6]唐大荣.雷炜,彭威.裂缝研究中的应用 球物理学报.1988.31(6):708— 7【1. 1US~I 10054,he s of Id t is al .0e e I】d is x~l it y p~a'\匡留 吾\星鲁 吾普资讯
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