晋城矿区陷落柱反射波地震法探测

出处：按学科分类—天文学、地球科学 地质出版社《地质灾害勘查地球物理技术手册》第69页（3755字）

陷落柱是煤系地层底板厚层灰岩中古溶洞裂隙的塌陷物以及上覆地层塌陷物形成的塌陷体，统称陷落柱或塌陷柱。根据目前掌握的资料，我国华北各煤田岩溶陷落柱比较发育，主要是指石炭二叠系煤系地层下部的奥陶系灰岩中的古溶洞(裂隙)塌陷形成的柱体。

1990年以来，我们在山西晋城凤凰山矿进行了综合物探方法探测陷落柱的试验工作，其中反射波地震法收到了一定的效果。

4．5．12．1 陷落柱地球物理特征

晋城矿区的煤系地层为石炭二叠系，主要可采煤层是二叠系山西组的3号煤层，厚6m左右；上覆地层为第三系和第四系，厚度由山梁向边坡递增，最厚达50m；煤系地层基底为奥陶系石灰岩。该矿区的岩溶陷落柱是煤系地层基底奥陶系石灰岩受溶蚀后形成的地质现象。在已开采煤层的7km²范围内揭露陷落柱16个，平均密度为2．3个／km²，陷落柱平面形状多呈椭圆形，其长轴为10～125m，短轴为5～62m，面积在40～6000m²范围内。

根据陷落柱的形成机制及其形态特征，可以认为陷落柱是一种与围岩在电性、磁性、密度、弹性波速度等方面都存在差异的地质异常体，这种差异的存在是我们用物探手段对陷落柱进行探测的地质前提，同时这一差异的大小在一定程度上也决定了物探工作的地质效果。

由于陷落柱内部物质具有一定的杂乱程度，其密度与其围岩间存在差异，弹性波在其中的传播必然不同于在连续地层中的传播，弹性波速度发生变化，影响到反射波的运动学特征，即反射波波至时间的超前或滞后。物质密度与弹性波速度的乘积为波阻抗，由于陷落柱内部物质的密度与速度均不同于其围岩，即存在着波阻抗差异，故反射波的动力学特征也受到影响，主要表现为反射波能量变弱，甚至缺失；反射波波形与反射波频率发生明显变化。

反射波法不仅能直观地反映地层界面的起伏变化，而且还能探测地下隐伏断层、空洞、陷落柱及各种异常物体。

4．5．12．2 地震多元参数提取

考虑到地震波在陷落柱及围岩上动力学特征变化明显，增加新参数对解释更为有利。提取4个频率域参数：主频、平均频率、宽频带限能量和主频带限能量。它们的物理意义如下：以所拾取的反射时间为中心，选取一时窗，对地震信息做富氏变换，得到对应的频谱。

主频FM——振幅谱曲线的最大值所对应的频率。

平均频率FA——将能谱曲线下的面积平分为二的频率值。

其中：f_wl，f_wh分别为低截频和高截频。

宽频带限能量QFW－限定频带范围内(f_wl——f_wh)的能量和。

主频带限能量QFL－以主频(某一地区为定值)为中心，计算(f_wl，f_wh)这一频带范围振幅谱曲线下的面积。

4．5．12．3 地震资料解释

工作利用单炮记录、COP剖面、CDP剖面、地震参数曲线几个方面综合起来解释陷落柱。解释过程中，综合其它物探资料，着重在地震波的波形及频谱上进行详细的分析研究，掌握了正常区及陷落柱的原则，下面以SS11线为例说明解释过程。

(1)单炮记录：图4－21陷落柱上的记录面貌变坏，同相轴不连续，地震波振幅能量减弱，与正常记录有着明显的不同。COP剖面能够直观地反映沿测线方向地震波形随构造变化的情况。

a正常的炮点记录

b陷落柱上的炮点记录

图4－21 炮点记录

(2)COP剖面(共偏移距剖面)：从图4－22中不难看出，COP剖面上在0～130ms的记录段内，地震波形有明显的变化，形成一空白带，而这个空白带正对应着地下的陷落柱。

图4－22 SS11线COP剖面(第三道)

(3)地震多元参数曲线：在COP道集基础上，进行地震参数提取，图4－23给出了第11道的频域参数曲线。根据提取的四个参数来分析，FA较FM能准确地反映变化的情况，进行先取FA作为主要依据，FM、QFL、QFW作为参数来进行综合评判。按照陷落柱的地质成因来推断，地震波在陷落柱内的吸收作用增强，频率应该降低，即频率曲线在陷落柱上应该是低值区，这和图中虚线标出的陷落柱范围内的曲线响应是吻合的。

图4－23 SS11线地震参数曲线(第11道)

(4)CDP叠加剖面：图4－24中，0～75ms范围内地震波同相轴连续性较好。75ms以下，A₁A₂段的波形表现为振幅强，但很零乱，类似于破碎带上的显示，与其周围的波形显示截然不同。

图4－24 SS11线CDP叠加剖面

通过对各种地震信息的综合对比和分析，发现SS11线A₁A₂段在COP剖面上表现出地震波能量严重削减，出现波形空白带；在地震参数曲线上表现出频率成分的显着降低；在CDP剖面上表现出同相轴不连续、零乱，但振幅较强的现象。这种种现象并非巧合，通过和地质资料的对比、验证，可以确定A₁A段是陷落柱的边界(崔若飞，1993)。

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