活動斷裂探測的高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)1

趙成彬 劉保金 姬計法

（中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002）

活動斷裂探測的高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)1

趙成彬 劉保金 姬計法

（中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002）

高分辨率淺層地震勘探技術(shù)能夠較準(zhǔn)確地探測活動斷層的位置、性質(zhì)，并初步研究斷裂的活動性。作者在夏墊斷裂上采用不同激發(fā)震源、不同道間距、不同觀測系統(tǒng)參數(shù)的探測方法，獲得了多條高質(zhì)量疊加時間剖面圖，圖中清晰地顯示了從幾米到幾百米深度范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。通過對這些疊加時間剖面的分析，獲得了不同激發(fā)震源、不同道間距、不同觀測系統(tǒng)參數(shù)時間剖面的分辨率。給出了對于不同的探測目標(biāo)層埋深和精度要求所適用的探測方法和工作參數(shù)，為提高斷層探測的分辨率和活動斷層最新活動時代的確定精度奠定了良好的基礎(chǔ)。

活動斷層 高分辨率 縱橫波 可控震源 時間剖面

引言

在城市防震減災(zāi)工作中，活動斷層探測及其斷層活動性鑒定是城市地震危險性評價的一項重要內(nèi)容。大量震例表明，巨大的城市地震災(zāi)害主要是由于隱伏于城市之下的活斷層突發(fā)性快速錯動導(dǎo)致發(fā)生“直下型”地震引起的，這種斷層的活動對城市建筑造成了嚴(yán)重的破壞和巨大的人員傷亡及經(jīng)濟損失?；顢鄬硬粌H是產(chǎn)生地震的根源，而且當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時沿斷層線的破壞最為嚴(yán)重，人員傷亡也明顯大于斷層兩側(cè)的其它區(qū)域。因此，采用有效手段開展城市活斷層的探測與地震危險性評價，準(zhǔn)確了解活斷層的分布和危害性，確定斷層的位置和最新活動時代，以便采取有針對性的防震減災(zāi)措施，已成為減輕城市地震災(zāi)害的一項極其重要的工作。

隱伏斷層的探測和斷層活動性初步鑒定方法較多，目前所采用的物探方法主要有高精度重力測量、多道直流電法勘探、探地雷達(dá)探測和淺層人工地震反射勘探、折射勘探和面波勘探（鄧起東等，2007；朱濤等，2007；趙成斌等，2001a）。由于反射地震勘探精度較高，探測深度范圍大，適用性強，因此應(yīng)用較多（王運生等，2007；潘紀(jì)順等，2003；薛榮俊等，1999；柴銘濤等，2007；趙成斌等，2007）。反射地震勘探目前大多采用縱波反射方法，由于縱波反射勘探受各種因素的影響，對淺表地層分辨率受到一定限制，而城市活動斷層探測工作不僅要求準(zhǔn)確確定斷層的位置，而且更重要的是確定斷層的上斷點埋深和斷層的最新活動年代，因此要求探測成果的分辨率要高，分辨薄地層的能力要強。由于縱波的傳播速度高、波長長，對薄地層的分辨能力低；而橫波在地層中的傳播速度低、波長短，因此對薄地層的分辨能力高，有利于更加準(zhǔn)確地確定斷層的上斷點埋深和判定斷層的最新活動年代（王永等，2007；邱潔等，1999；趙成斌等，2001b；胡寧等，2007）。因此，在中國地震局“十五”重點項目“中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)”項目的“城市活斷層試驗探測”工作中，開展了“高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)”的研究，以便獲得一套高分辨率地震數(shù)據(jù)采集方法，用以指導(dǎo)城市活斷層探測和城市防震減災(zāi)工作中的斷層活動性鑒定工作。

1 地震數(shù)據(jù)采集

分辨率和信噪比是地震勘探的2個重要指標(biāo)。獲得高分辨率和高信噪比的記錄是獲得好的探測結(jié)果的關(guān)鍵。分辨率主要與地震波的波長有關(guān)，另外還與信噪比有關(guān)，而地震波的波長取決于地震波的速度和頻率。要想提高地震波的分辨率，除提高地震記錄的信噪比之外，還要設(shè)法減小地震波的波長。本文所論述的“高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù)”是通過對不同的激發(fā)震源、不同的觀測系統(tǒng)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集方法的研究，來獲得一套適合于城市活斷層探測和斷層活動性初步鑒定的地震數(shù)據(jù)采集方法。

1.1 測線位置

為了獲得具有代表性的研究結(jié)果，我們把目標(biāo)斷裂選在了研究程度較高的夏墊斷裂上。夏墊斷裂是華北平原區(qū)北部的1條重要的隱伏活動斷裂，它是北京東側(cè)大廠凹陷和通縣凸起2個第四紀(jì)構(gòu)造單元間的邊界斷裂（圖1）（車兆宏，1993），其斷距較大，活動性較強，覆蓋層較厚。受夏墊斷裂正斷傾滑運動的影響，大廠凹陷持續(xù)沉降，堆積了厚約600—700m的第四系松散沉積物；通縣凸起相對隆升，第四系松散沉積物厚度僅300—400m（徐錫偉等，2000）。研究表明，夏墊斷裂兩側(cè)第四紀(jì)下更新統(tǒng)夏墊組的垂直位移達(dá) 319m，中更新統(tǒng)翟里組的垂直位移達(dá)139m，上更新統(tǒng)軍營組的垂直位移達(dá)15m（李鼎容等，1979；彭一民等，1981）。根據(jù)夏墊斷裂的性質(zhì)和斷裂兩側(cè)的地層特征，我們判斷在夏墊斷裂上開展試驗研究有可能獲得較好的結(jié)果。為此，我們在夏墊斷裂上布設(shè)了1條淺層地震測線，測線位于潘各莊和齊心莊之間（見圖1），全長1100m。

圖1 夏墊斷裂地質(zhì)構(gòu)造及測線位置圖Fig. 1 Location of the reflection profile crossing Xiadian fault

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

（1）儀器設(shè)備

地震數(shù)據(jù)采集利用德國DMT公司生產(chǎn)的具有高抗干擾能力、高靈敏度、大動態(tài)范圍的SUMMIT 高分辨率遙測數(shù)字地震儀?？v波激發(fā)震源采用井中炸藥爆炸震源，井深3m，藥量300g；橫波激發(fā)震源采用錘擊扣板震源和橫波機械可控震源。縱波探測采用4個/串的100Hz高頻檢波器；橫波探測采用4個/串的38Hz橫波檢波器。

（2）工作方法和觀測系統(tǒng)

淺層高分辨率地震數(shù)據(jù)采集采用了3種不同方法、不同參數(shù)的探測試驗，主要包括：2m道間距的縱波探測；2m道間距的橫波探測；0.5m道間距的橫波探測。數(shù)據(jù)采集時采用中間追逐激發(fā)、雙邊接收的多次覆蓋觀測系統(tǒng)，觀測系統(tǒng)參數(shù)分別為：

縱波測線：道間距2m，中間激發(fā)，200道接收，20次覆蓋，炸藥震源。

橫波測線（可控震源）：道間距2m，中間激發(fā)，120道接收，20次覆蓋，18噸橫波機械可控震源。

橫波測線（錘擊震源）：道間距0.5m，中間激發(fā)，120道接收，15次覆蓋，24磅錘擊扣板震源。

2 地震反射剖面分析

2.1 速度剖面特征

圖2 縱波和橫波速度對比Fig. 2 Velocity profile of P wave and S wave

圖2的速度剖面是由縱波和橫波反射原始地震記錄經(jīng)過速度分析獲得的，圖中數(shù)值和等值線為層速度。該測線地下500m以上地層的縱波速度在1300—2500m/s之間，橫波速度在100—800m/s之間，二者相差較大。在近地表縱波速度是橫波速度的13倍左右，在500m深度約為3倍。圖2中的縱波速度和橫波速度在橫向上也存在差異，在100m以上，縱波速度和橫波速度等值線基本都呈水平形態(tài)，橫向變化不大。在100m以下，橫波速度橫向仍變化不大，速度等值線基本都呈水平形態(tài)；而縱波速度明顯變化較大，而且有越往深處變化越大的趨勢，明顯表現(xiàn)出局部變化劇烈的趨勢。這可能是由于不同位置的地層介質(zhì)對縱波和橫波的傳播存在差異所造成，也可能是由于地層介質(zhì)的各向異性所造成。

2.2 反射時間剖面特征

2.2.1 縱波和橫波剖面分辨率對比

圖3為縱波和橫波剖面及相應(yīng)的頻譜對比，道間距為2m。在圖3中這2條剖面反射能量都較強，反射震相都較多，由此所反映出的斷裂構(gòu)造特征也比較清楚。從圖3的左圖可以看出，井中炸藥震源激發(fā)的縱波剖面頻率較高，頻帶較寬，主要能量集中在10—140Hz左右。機械可控震源激發(fā)的橫波剖面頻率較低，頻帶較窄，主要能量集中在 10—80Hz左右。雖然縱波剖面比橫波剖面的頻率高、頻帶寬，但是由于橫波剖面的速度比縱波剖面低得多，因此橫波的波長比縱波的波長短。根據(jù)圖2給出的縱波速度在1300—2500m/s之間，橫波速度在100—800m/s之間，由此可以看出，縱波剖面的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫波剖面的波長，這一點從剖面上的反射波組特征也可以看出。在縱波剖面上可以識別出7組反射能量較強、橫向連續(xù)性較好的反射震相（T1—T7），而在橫波剖面上可以識別出13組反射能量較強、橫向連續(xù)性較好的反射震相，其中除縱波剖面上的T1—T7反射震相之外，還出現(xiàn)了6組反射震相（T01、T02、T11、T12、T21和T41），表明橫波剖面分辨薄地層的能力強。根據(jù)已有鉆孔資料（徐錫偉等，2000），T7震相應(yīng)為第四系底界的反射波，其它震相均為第四系內(nèi)部地層的反射波，主要為砂層和粘土分界面產(chǎn)生的反射波，其中所反映的最淺地層在3m左右，所分辨的地層厚度約2—3m。橫波剖面不僅反映的地層層位較多，而且對斷層的反映也更加清晰。在圖3右圖的橫波剖面上，由于斷層所造成的反射同相軸的分叉、扭曲、畸變和錯斷特征都比圖3左圖的縱波剖面明顯，斷層的位置、形態(tài)、特征和上斷點都更加清晰，表明橫波剖面比縱波剖面的分辨率高。

圖3 縱波和橫波剖面對比Fig. 3 Time section of P wave and S wave

2.2.2 不同道間距橫波剖面分辨率對比

圖4為不同道間距橫波剖面對比，其中左圖為4m道間距剖面，右圖為2m道間距剖面。由于2條剖面采用的是同一種橫波機械可控震源和相同的激發(fā)參數(shù)，因此剖面的縱向分辨率基本相同，在剖面上都能看到10組反射震相T01、T02、T1、T11、T12、T2、T21、T3、T4、和T41，但是橫向分辨率明顯不同，左圖的橫向分辨率明顯低于右圖的橫向分辨率，右圖剖面同相軸的連續(xù)性明顯提高，同相軸形態(tài)更加清晰。斷層的位置、破碎帶寬度和上斷點位置都更加準(zhǔn)確，斷層的形態(tài)和特征也更加清楚。從圖4的剖面還可以看出，在500ms（深度60m）以上，2m道間距剖面的橫向分辨率提高明顯；而在500ms（深度60m）以下，橫向分辨率提高不明顯。這說明了一個問題，即地震勘探的橫向分辨率不僅取決于第一菲涅爾帶的寬度，而且還取決于勘探時所采用的道間距。由于地震波越往下傳播高頻成分衰減越快，頻率越低，同時地震波的速度也越往下越高，導(dǎo)致第一菲涅爾帶越往下越寬，因此在深部第一菲涅爾帶的寬度在橫向分辨率上起了主要作用，只要采用合適的道間距一般不會因道間距影響橫向分辨率。但是在淺部，地震波頻率較高，速度較低，第一菲涅爾帶的寬度較小，如果道間距相對過大，則會影響剖面的橫向分辨率，這就是圖 4中左圖剖面的橫向分辨率在500ms以下基本沒受影響，而在500ms以上明顯受到影響、剖面的橫向分辨率明顯降低的原因。

圖4 不同道間距橫波剖面對比Fig. 4 S wave time section with different group intervals

2.2.3 不同震源橫波剖面分辨率對比

圖5為不同震源橫波剖面的對比，其中左圖為24b大錘橫波剖面和相應(yīng)的頻譜圖，道間距0.5m，右圖為機械可控震源的橫波剖面和相應(yīng)的頻譜圖，道間距2m。對比左、右圖可以看出，錘擊橫波剖面相對機械可控震源橫波剖面能量較弱，但分辨率較高。從右圖可控震源剖面上可以分辨出4組能量較強、較連續(xù)的反射震相T01、T02、T1和T11，但在左圖錘擊橫波剖面上除這4組反射震相外，還可以看到多組能量較強、較連續(xù)的反射震相，如在T01和T02之間、T02和T1之間以及T1和T11之間都還存在1至2組反射震相，這表明錘擊震源雖然激發(fā)的能量較弱，但激發(fā)信號的頻率較高，因此所獲得的剖面分辨率較高，分辨薄層的能力強，能分辨的最淺地層深度為3m左右。從各自的頻譜圖也可以看到這一點，錘擊橫波剖面的頻率較高，頻帶較寬，主要能量集中在10—180Hz左右。機械可控震源橫波剖面頻率較低，頻帶較窄，主要能量集中在 10—80Hz左右，因此錘擊激發(fā)的橫波波長比機械可控震源激發(fā)的橫波波長短，所以錘擊橫波剖面的分辨率高于機械可控震源的分辨率。另外，從剖面150ms以上部分還可以看出左圖不僅分辨率有所提高，同相軸的連續(xù)性也明顯變好，這表明隨著震源激發(fā)頻率的提高和道間距的減小，地震剖面的縱向和橫向分辨率都得到了顯著的提高，剖面上所反映出的斷點 FP2更加清楚，斷點位置和上斷點埋深更加準(zhǔn)確，這給斷層位置的確定和斷層活動時代的判定提供了可靠證據(jù)，也為城市地震危險性評價和制定抗震防災(zāi)規(guī)劃提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

圖5 不同震源橫波剖面對比Fig. 5 S wave time section with different seismic sources

3 結(jié)論與討論

3.1 淺層地震數(shù)據(jù)采集的分辨率

通過上述對炸藥震源、橫波機械可控震源和錘擊扣板震源所獲得的反射時間剖面的分析，得到了采用不同震源、不同道間距和不同激發(fā)參數(shù)所獲得剖面的分辨率。采用錘擊扣板震源激發(fā)橫波，可使最淺探測深度達(dá)到近地表3—5m的深度范圍。同時，根據(jù)各種震源的激發(fā)信號主頻和所獲得的地震波速度，可以計算出在本測區(qū)條件下各種激發(fā)震源的地震波波長和縱向分辨率（按λ/4計算）分別為：

爆炸源激發(fā)的縱波，按近地表縱波速度為1300m/s和主頻100Hz計算，其波長為13m，縱向分辨率約為3.3m；

橫波可控震源激發(fā)的橫波，按近地表橫波速度為 100m/s和主頻 40Hz計算，其波長為2.5m，縱向分辨率約為0.7m；

橫波錘擊扣板震源激發(fā)的橫波，按近地表橫波速度為100m/s和主頻80Hz計算，其波長為1.25m，縱向分辨率約為0.4m。

3.2 活動斷層探測的反射地震數(shù)據(jù)采集方法討論

在地震勘探中，由于不同的震源類型、不同的探測方法、不同的工作參數(shù)所獲得的資料具有不同的分辨率，因此在城市活斷層探測工作中，要根據(jù)探測目標(biāo)層埋深和精度要求選擇適當(dāng)?shù)奶綔y方法和工作參數(shù)，采用由深到淺的順序進(jìn)行探測，以提高地震勘探的分辨率和對活動斷層的探測精度。若探測目標(biāo)為自深部發(fā)震斷裂至淺部斷層的最新活動時代，則可采用以下步驟：①采用深地震縱波反射勘探方法，確定中深部發(fā)震斷裂的位置以及與歷史地震震源的對應(yīng)關(guān)系；②采用淺層縱波反射地震方法，確定斷裂的淺部構(gòu)造特征以及與深部構(gòu)造之間的關(guān)系；③采用淺層橫波反射地震方法，確定斷裂在近地表（幾米至幾十米）深度范圍內(nèi)的構(gòu)造特征和上斷點深度，并確定斷層的活動性。

在城市活斷層探測工作中采用這種縱、橫波聯(lián)合探測的方法，探測斷層的位置及其活動性可以實現(xiàn)從深到淺、從粗到細(xì)逐步準(zhǔn)確地確定斷層的位置、形態(tài)、性質(zhì)及其特征，確定斷層的最新活動時代。以便根據(jù)測區(qū)附近的應(yīng)力場，分析斷層的受力情況，預(yù)測斷層的活動性，為城市地震危險性評價和制定抗震防災(zāi)規(guī)劃提供可靠的基礎(chǔ)資料。

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The Acquisition Technique of High-Resolution Seismic Data for Prospecting of Active Faults

Zhao Chengbin, Liu Baojin and Ji Jifa
(Research Center of Exploration Geophysics, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China)

The high-resolution shallow seismic technique can be used for prospecting position, property and basic activity of a fault. We have obtained many high quality stack time sections by prospecting method with different seismic source, different geophone interval and different observing system on the Xiadian fault. These sections display clearly the stratum structure and the structure characteristics in the scale from several meters to several hundred meters. The prospecting methods and parameters fitting for goal stratum at different depth and different accurate requirements are given out through analyzing the stack time sections. This technique provides a good foundation for raising the prospecting resolution of fault position and the last active time.

Active fault；High-resolution；Longitudinal wave and transverse wave；Controlled seismic focus；Time section

趙成彬，劉保金，姬計法，2011. 活動斷裂探測的高分辨率地震數(shù)據(jù)采集技術(shù). 震災(zāi)防御技術(shù)，6（1）：18—25.

地震行業(yè)科研專項（200808041）、國家發(fā)展與改革委員會項目“城市活斷層試驗探測”（20041138）資助中國地震局地球物理勘探中心論著編號：RCEG201105

2010-10-22

趙成彬，男，生于1955年。高級工程師。主要從事活斷層探測研究。E-mail：ZCB001001@sina.com