任政委，郭淑君，龍慧，明圓圓

（中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051）

1 引言

地裂縫是地表介質(zhì)顯示的一種破裂且成因復(fù)雜的自然現(xiàn)象，大都與斷裂構(gòu)造的活動(dòng)性、地面沉降、地震等有關(guān)。20世紀(jì)60年代以來(lái)，華北平原地區(qū)陸續(xù)發(fā)生大面積的地裂縫，造成建筑物損壞、道路變形、管道破裂、農(nóng)田漏水等嚴(yán)重后果，制約了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工程建設(shè)、城市規(guī)劃、生命線工程和土地利用等發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各項(xiàng)工作，成為亟待解決的城鄉(xiāng)地質(zhì)環(huán)境問題。

隱伏地裂縫是地表未表現(xiàn)任何異常，但地表以下已經(jīng)開始破裂。在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下形成第四系地層節(jié)理開啟，同時(shí)因長(zhǎng)期開采地下水引起地面沉降誘發(fā)和加速地裂縫形成。斷層和節(jié)理是產(chǎn)生地裂縫的重要因素，也是產(chǎn)生繞射波的前提條件。因此，我們可以利用繞射波來(lái)圈定隱伏地裂縫的位置。

2 繞射原理

實(shí)際地層介質(zhì)中，除了具有成層性外，還存在著許多特殊的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，諸如裂縫、斷層、尖滅等，它們構(gòu)成了地層的斷面點(diǎn)或者間斷線。地震波傳播到這些地層間斷點(diǎn)（線）時(shí)，就會(huì)象光學(xué)中光線通過一個(gè)小孔發(fā)生衍射現(xiàn)象一樣，這些間斷點(diǎn)（線）都可以看成是一個(gè)新震源，由此新震源產(chǎn)生一種新的擾動(dòng)向彈性空間四周傳播，這種擾動(dòng)在地震勘探中稱為繞射波，這種現(xiàn)象稱為繞射［1]。

隱伏地裂縫大多在發(fā)育特點(diǎn)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)和活動(dòng)特征方面反映了構(gòu)造地裂縫的成因類型，主要控制因素反映了地殼構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力積累與釋放的作用結(jié)果。動(dòng)力類型為斷層蠕滑型、斷層速滑型和區(qū)域微破裂開啟型。很顯然隱伏地裂縫的發(fā)育狀況符合繞射原理。

3 繞射波時(shí)距曲線方程

當(dāng)凸反射界面某個(gè)部位的曲率達(dá)到無(wú)限大（或者說(shuō)為突變點(diǎn)）時(shí)，波從這種部位向四面八方反射，于是就產(chǎn)生了繞射（圖1）。

圖1 繞射波時(shí)距曲線方程

考察地面之某個(gè)深度D點(diǎn)的繞射情況，介質(zhì)的波速為V。設(shè)在tD時(shí)刻有入射波波前到達(dá)D點(diǎn)。從tD時(shí)刻起由于D點(diǎn)繞射而傳播著速度為V的球面波，炮點(diǎn)的坐標(biāo)為原點(diǎn)。它與D點(diǎn)在測(cè)線上的投影D′的距離為d，繞射波在任一點(diǎn)的波至?xí)r間為

這是D點(diǎn)產(chǎn)生的繞射波的時(shí)距曲線方程。時(shí)距曲線為雙曲線形狀，極小點(diǎn)在D點(diǎn)的（假設(shè)地面水平）垂直正上方D′點(diǎn)，極小值的時(shí)間為

因此，在地層水平的情況下，我們從地震單炮記錄上正確的識(shí)別出繞射波，找出繞射波的頂點(diǎn)，其頂點(diǎn)在地面上的投影坐標(biāo)就是隱伏地裂縫在地面的投影坐標(biāo)。記錄繞射頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間［2]。如果平均速度V已知，利用公式（2）就可以估算出隱伏地裂縫的深度。

4 正演模擬

所謂正演模擬，就是假設(shè)地下地質(zhì)情況已知，其中包括地質(zhì)體的幾何形態(tài)、地下介質(zhì)的速度、密度。應(yīng)用地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的基本原理，計(jì)算出所給地質(zhì)模擬的地震響應(yīng)參數(shù)。

正演模擬的研究方法一般分為兩類：一類是射線方法；另一類是波動(dòng)方程法。射線方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快，所得地震波的傳播時(shí)間比較準(zhǔn)確，但是，計(jì)算結(jié)果很難保持動(dòng)力學(xué)特征，對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)。本文采用波動(dòng)方程理論模擬地震波的傳播，不僅能保持地震波的動(dòng)力學(xué)特征，而且還能保持地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征［3]。

實(shí)際生成正演地震記錄如圖2，圖2上半部分為第一層的反射波，下半部分分別為兩個(gè)繞射點(diǎn)A和B所產(chǎn)生的繞射波。其中，繞射點(diǎn)A兩側(cè)的巖性相差比較大，繞射點(diǎn)B兩側(cè)巖性差異比較小。

圖2 地震正演記錄

從圖2中可以看出在均勻介質(zhì)情況下繞射波在單炮記錄上幾何形態(tài)為雙曲線，頂點(diǎn)就是繞射點(diǎn)的位置。繞射波在繞射點(diǎn)能量較強(qiáng)，然后向兩側(cè)變?nèi)酢Ｕ穹膹?qiáng)弱還取決于繞射點(diǎn)兩側(cè)巖性的差異，差異大振幅強(qiáng)，反之就弱；另外決定于接收點(diǎn)與繞射點(diǎn)的相對(duì)位置，接收點(diǎn)在繞射點(diǎn)的正上方，能量強(qiáng)，接收點(diǎn)遠(yuǎn)離繞射點(diǎn)，能量則弱。

從圖2中還可以得到，繞射波A頂點(diǎn)和繞射波B頂點(diǎn)間的水平距離為斷層的水平斷距和垂直距離為斷層的垂直斷距。

5 地震資料解釋

下面以阜城縣地裂縫地震勘探為例。阜城縣位于河北省中部，行政區(qū)劃屬衡水市，地理位置：北緯37°41′～38°02′，東經(jīng)115°06′～116°35′。第四系為湖積、沖積成因的棕紅、棕黃色松散的粘、亞粘土、亞砂土夾各類砂層組成。第四系地層厚度為440～500 m，從上到下依次分為全新統(tǒng)Q4（深度35～44 m），上更新統(tǒng)Q3（深度75～90 m），中更新統(tǒng) Q2（192～239 m），下更新統(tǒng) Q1（372～451 m），分別對(duì)應(yīng)的地震標(biāo)準(zhǔn)反射層為 T1、T2、T3、T4。

阜城縣地裂縫災(zāi)害區(qū)位于阜城凹陷區(qū)，分布在漫河鄉(xiāng)韓關(guān)村－前黎莊一帶，向西南方向呈線狀延伸到武邑縣橋頭鄉(xiāng)東青林村、西青林村和青冢村一帶?？傮w展布方向NE45°。地裂縫繼續(xù)延伸發(fā)育，總長(zhǎng)7.5 k m，面積20 k m2。

圖3 阜城縣地震單炮記錄

野外數(shù)據(jù)采集用美國(guó)Strata visor NZXP型24道地震儀、L40型動(dòng)圈式縱波地震檢波器、地震電纜和震源激發(fā)四部分組成地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。地震波激發(fā)采用電雷管引爆硝胺炸藥，道距5 m，偏移距140 m，三次覆蓋。

震源主要激發(fā)出縱波，但是，由于震源附近地表介質(zhì)的不均勻性，炸藥包在井中安置的不對(duì)稱性，也會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的橫波和面波，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生聲波和隨機(jī)干擾等。而產(chǎn)生的縱波中又會(huì)有直達(dá)波、折射波、反射波、繞射波等。所以繞射波大部分往往會(huì)被其他強(qiáng)的波所覆蓋［4]。圖3為沒有地裂縫時(shí)，阜城縣連續(xù)三張第四系地震單炮記錄。

圖4是地震側(cè)線經(jīng)過地裂縫時(shí)連續(xù)三張地震單炮記錄（第12、13、14炮，CMP號(hào)點(diǎn)，117號(hào)～149號(hào)）。從圖中可以看出斷點(diǎn)產(chǎn)生的繞射波與平界面的反射波在繞射點(diǎn)相切，從切點(diǎn)把繞射波分為兩半支，外半支比較明顯，內(nèi)半支往往被強(qiáng)的反射所淹沒而不明顯。這樣在單炮記錄上就會(huì)出現(xiàn)所謂“斷層波不斷，反射連繞射”的現(xiàn)象。找出了繞射波的頂點(diǎn)。就可以正確、簡(jiǎn)潔、方便的估算出隱伏地裂縫的位置及其主要控制因素、裂開的寬度、相對(duì)搓動(dòng)量等。

從圖4中可以看出，地震波傳到隱伏地裂縫上斷點(diǎn)大約200 ms和下斷點(diǎn)約400 ms處均產(chǎn)生了繞射（圖4所圈定的部分），繞射波頂點(diǎn)在地表投影約為335～345 m。這一點(diǎn)可以從圖5阜城縣地震時(shí)間剖面上得到驗(yàn)證，從圖5中可以看出，在地震時(shí)間剖面135號(hào)～141號(hào)CMP點(diǎn)（測(cè)線335～345 m），T2、T3、T4顯示多相位反射，具有反射震相梳狀擾動(dòng)特征，上斷點(diǎn)約140 ms，下斷點(diǎn)約400 ms，斷距約10 m地表未見地裂縫跡象，推斷為隱伏地裂縫，深度為60 m。

地震剖面251號(hào)～253號(hào)CMP點(diǎn)（測(cè)線625～630 m），T1、T2反射層顯示多相位反射，相位錯(cuò)動(dòng)，淺部反射間斷，具有反射震相梳狀擾動(dòng)特征。地表可見地裂縫跡象，深度約為80 m。其相應(yīng)的單炮記錄在同樣的位置也出現(xiàn)繞射波。這也驗(yàn)證了利用繞射波來(lái)尋找隱伏地裂縫的可行性。

值得注意的是，在地震單炮記錄上識(shí)別繞射波時(shí)一定要對(duì)相鄰的幾炮記錄進(jìn)行分析、比較，不同的單炮記錄在同一位置的反射點(diǎn)是否有類似性質(zhì)，是否是真正的繞射。在圖3中間的單炮記錄中所圈定的位置，不是繞射而是隨機(jī)干擾，原因是相鄰的兩炮記錄沒有出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

圖5 阜城縣地震時(shí)間剖面

6 結(jié)論

（1）在均勻介質(zhì)情況下繞射波在單炮記錄上幾何形態(tài)為雙曲線，這在理論上可以得到證明，我們習(xí)慣上把繞射波形象比喻為“似背斜”，“似背斜”的頂點(diǎn)就是繞射點(diǎn)的位置。如果繞射波是由隱伏地裂縫產(chǎn)生的，則繞射點(diǎn)就為隱伏地裂縫的頂點(diǎn)。

（2）繞射波在繞射點(diǎn)能量較強(qiáng)，然后向兩側(cè)變?nèi)?。振幅的?qiáng)弱還取決于繞射點(diǎn)兩側(cè)巖性的差異，差異大振幅強(qiáng)，反之就弱，另外決定于接收點(diǎn)與繞射點(diǎn)的相對(duì)位置，接收點(diǎn)在繞射點(diǎn)的正上方，能量強(qiáng)，接收點(diǎn)遠(yuǎn)離繞射點(diǎn)，能量則弱。

（3）斷點(diǎn)產(chǎn)生的繞射波與平界面的反射波在繞射點(diǎn)相切，從切點(diǎn)把繞射波分為兩半支，外半支比較明顯，內(nèi)半支往往被強(qiáng)的反射所淹沒，而不明顯，這樣就會(huì)出現(xiàn)所謂“斷層波不斷，反射連繞射”的現(xiàn)象。

（4）阜城縣隱伏地裂縫是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的第四系地層節(jié)理開啟，同時(shí)因長(zhǎng)期開采地下水引起地面沉降對(duì)誘發(fā)和加速地裂縫形成也有不可忽視的作用。

（5）利用繞射波的特點(diǎn)，就可以準(zhǔn)確、快潔、方便的判斷隱伏地裂縫的位置及相應(yīng)的深度，圈定地裂縫災(zāi)害易發(fā)區(qū)，對(duì)城鄉(xiāng)建設(shè)布局規(guī)劃，制定防災(zāi)對(duì)策，減輕地裂縫造成的損失，發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1]何樵登，熊維綱.應(yīng)用地球物理教程－地震勘探（高等學(xué)校教材）［M].北京：地質(zhì)出版社，1990.

［2]謝里夫，吉爾達(dá)特.勘探地震學(xué)［M].石油工業(yè)出版社，1997.

［3]渥.伊爾馬滋（著），黃緒德，袁明德（譯）.地震數(shù)據(jù)處理［M].石油工業(yè)出版社，1994.

［4]［美]安藝敬一（著），李裕澈，盧壽德，等譯.地震波的散射衰減［M].北京：地震出版社，1993.