基于淺層地震勘探技術(shù)的近海海底斷裂探測研究

朱再寧，晏琮良

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210008)

0 引言

我國“十二五”規(guī)劃首次將海洋經(jīng)濟提升到國家戰(zhàn)略高度(張莉，2006;李文增等，2011;潘新春等，2012)。海洋開發(fā)利用首先必須依賴于近海或海上工程設(shè)施(邱大洪，2000，金翔龍，2006)，而建設(shè)這些工程首先必須進行相應(yīng)的海洋地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和評估。

相比于陸地，海洋地質(zhì)災(zāi)害研究起步較晚，難度也更大。海底被海水覆蓋，以往地質(zhì)資料較少。在當(dāng)前形勢下，應(yīng)依據(jù)國情和各地區(qū)實際狀況，將海洋地質(zhì)災(zāi)害研究重點集中在對本地區(qū)海上活動有較大影響的災(zāi)害類型，如海底滑坡、地震、工程軟弱層等(趙廣濤等，2011)。

活動斷裂是引發(fā)海域地震的主要原因之一。受客觀條件限制，位于海底之下的斷裂因被水體覆蓋而較少或不為人們所認(rèn)知。然而，事實證明海底斷裂活動所帶來的危害和損失有時是十分巨大的。因海底斷裂運動發(fā)生的地震往往會引起海嘯，所造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失常常很慘重。自1900年以來，印度尼西亞附近海域共發(fā)生了11次8級以上地震(李西雙等，2008;王新洋等，2014)。

我國是一個海洋大國，擁有1.8萬余km的大陸海岸線(劉保華等，2005)，1.4萬余km的島嶼海岸線，且沿海地區(qū)人口稠密，城鎮(zhèn)集中，經(jīng)濟較為發(fā)達。因此，研究和防范海洋地質(zhì)災(zāi)害意義極大。

目前，海洋地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查多采用單波束測深、多波束測深、側(cè)掃聲納、淺地層剖面和海洋人工地震勘探等海洋地球物理探測技術(shù)以及海底鉆探取樣等方法。其中地震勘探是目前海底探查應(yīng)用最廣、成效最高的地球物理勘探技術(shù)(金翔龍，2007)。

海洋地震勘探主要利用人工地震波在海底地層巖石中的傳播規(guī)律來研究海底以下地質(zhì)構(gòu)造，推斷地層結(jié)構(gòu)，勘查海底資源。該技術(shù)以高精度和高效率較好地解決了海底以下一定深度內(nèi)的工程地質(zhì)問題，它能準(zhǔn)確可靠地確定工程地質(zhì)中重要的基巖埋深、起伏、斷裂位置及其展布等(朱嘉等，2008)。

某近海項目位于遼東附近北黃海海區(qū)。發(fā)育于我國東北東部的某斷裂帶可能穿越該海區(qū)，為查明其分布情況，以評價該區(qū)域地震安全性，采用水域淺層地震勘探技術(shù)進行探測及研究。

1 研究區(qū)地貌地質(zhì)概況及地震勘探前提條件分析

1.1 海域地形地貌概況

研究區(qū)海域?qū)俳稖\海，海底地貌類型主要為淺海堆積平原。10 m水深以淺范圍寬約6～15 km，海底地勢平坦，形態(tài)單調(diào)，平均坡度為2'52″，大部分區(qū)域水深超過8 m。

1.2 地質(zhì)概況

該區(qū)大地構(gòu)造隸屬中朝準(zhǔn)地臺遼東臺隆，斷裂以北東向為主。推測北側(cè)斷裂往南延伸可到區(qū)內(nèi)海域，這是本次海域地球物理勘查的重點目標(biāo)。

近岸區(qū)域地層簡單，缺失很多，僅發(fā)育下元古界遼河群蓋縣組變質(zhì)砂巖及片巖類，上元古界青白口系南芬組粉砂質(zhì)絹云板巖、橋頭組粉砂質(zhì)絹云板巖和變質(zhì)石英砂巖。第四系沉積主要由砂礫石、含粉質(zhì)黏土、黃土狀土及含礫砂土、細砂和淤泥構(gòu)成。

收集到的附近海域多處鉆孔資料反映該范圍海底淺部地層結(jié)構(gòu)簡單，覆蓋層由第四系全新統(tǒng)淤泥、淤泥質(zhì)粉細砂構(gòu)成，基巖由上至下為全—強—中—微風(fēng)化變質(zhì)砂巖，各處孔位巖性基本相同，僅存在厚度差異。

1.3 地震勘探前提條件分析

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)特征及鉆孔資料推斷測線涉及到的海底基巖以變質(zhì)砂巖、板巖及石英砂巖為主，縱波速度達3 000～4 000 m/s;第四系松散沉積主要以全新統(tǒng)淤泥為主，其縱波速度僅為1 500 m/s左右。第四系與基巖間存在明顯的速度差異，其間可構(gòu)成良好的反射界面。斷裂引起基巖錯動或明顯破碎時，將出現(xiàn)基巖反射波組的錯動或缺失。

2 方法成果及地質(zhì)解釋

2.1 應(yīng)用方法及其技術(shù)參數(shù)

本次海域地球物理勘查以多道淺層地震方法為主，設(shè)計A—A'、B—B'2條測線進行海域隱伏斷裂勘查，測線沿垂直于該斷裂即北西往南東方向布置，在推測的斷裂部位還增補了單道淺層地震測線，以配合多道淺層地震資料進行綜合解釋(圖1)。

圖1 測線位置及推測的某斷裂示意圖Fig.1 Sketch showing seismic line location and an inferred fault

多道淺層地震采用拖拉式(單端激發(fā)、單邊接收)連續(xù)航行方式施工，定時激發(fā)并接收記錄，采用的技術(shù)參數(shù)為：激發(fā)能量80 kg/cm3，激發(fā)間隔4s，空氣槍、電纜入水深度1.2 m左右，道距2 m，24道接收，偏移距2 m，記錄長度512 ms，采樣率0.5 ms，采用共反射點覆蓋技術(shù)，覆蓋次數(shù)4～6次。

單道淺層地震采用拖曳式連續(xù)觀測方式，即將接收電纜與電火花源以4～5 m間距并列拖于船尾，連續(xù)航行，定時激發(fā)并接收記錄，發(fā)射能量350 J，工作頻率0.1 ～3 000 Hz，記錄長度 250 ms，發(fā)射間隔1s。

經(jīng)對外業(yè)實測數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，得到各測線地震時間剖面圖以用于斷點及斷裂的推斷解釋研究。

2.2 斷點異常及斷裂平面分布判別依據(jù)

斷點異常是根據(jù)地震時間剖面中有效反射相位特點，結(jié)合地質(zhì)資料加以判別：(1)有效反射相位出現(xiàn)局部缺失或信號減弱;(2)有效反射相位存在明顯落差、突變、扭折或發(fā)育繞射波;(3)有效反射相位特征出現(xiàn)明顯不同或增減、分叉、合并等異常情況;(4)若覆蓋層內(nèi)界面與基巖有效反射相位異常特征相對應(yīng)，表明其斷點已斷至該界面。

斷裂的平面分布是在分析各斷點特征的基礎(chǔ)上，連接某些相鄰測線上特征、性質(zhì)相似的斷點而成，其主要依據(jù)是：(1)各斷點的產(chǎn)狀、性質(zhì)一致或相近;(2)各斷點的上斷點深度和所斷層位大約一致;(3)各斷點位置基本上處于同一直線上。

2.3 斷點、斷裂異常特征及分析

根據(jù)成果資料，A—A'測線上首先發(fā)現(xiàn)fp1、fp22處斷點異常，具體特性如下。2.3.1fp1斷點異常 該斷點異常位于A—A'測線的4 770 m附近，此處地震時間剖面(圖2)顯示(Tg及Tg')反射波組出現(xiàn)同步中斷、錯動，北西側(cè)反射波組平整，南東側(cè)反射波組起伏，推測為斷裂引起。經(jīng)分析該斷裂為北西高、南東低的正斷裂，傾向東南，傾角較陡，斷裂兩側(cè)基巖面落差3～4 m。該斷裂不僅顯示錯斷了基巖面，關(guān)鍵是它還清晰地揭示了該斷點已錯斷了整個基巖風(fēng)化層，其上斷點深度約為水下24 m。由該斷點上覆第四系全新統(tǒng)內(nèi)部反射波組未見明顯擾動跡象判斷，該斷裂最新活動時代為晚更新世或晚更新世以前。

圖2 fp1、fp2斷點異常地震時間剖面圖(多道)Fig.2 Seismic time section(multichannel)of breakpoints fp1and fp2

2.3.2fp2斷點異常 該斷點異常位于A—A'測線的4 960 m附近，地震時間剖面圖(圖2)顯示該處同樣出現(xiàn)反射波組(Tg、)中斷和錯動，與fp1不同的只是其為北西側(cè)低、反射信號起伏，而南東側(cè)高、反射波組平整。分析認(rèn)為該斷裂為南東高、北西低的正斷裂，傾向北西，傾角較陡，斷裂兩側(cè)基巖面落差4 m，與fp1一樣，該斷裂不僅錯動了基巖面，也使整個基巖風(fēng)化層發(fā)生了錯動，其上斷點深度為水下25 m。而上覆第四系全新統(tǒng)內(nèi)部反射波組未見明顯擾動，同理判斷該斷裂的活動時代也應(yīng)為晚更新世或晚更新世以前。

fp1斷點與fp2斷點構(gòu)成一典型的地塹構(gòu)造，其寬度約190～200 m，構(gòu)成地塹的兩側(cè)斷裂產(chǎn)狀較陡。

為查實上述2個斷點異常的存在，在異常段的北東側(cè)約400 m處布置了1條與其平行的短測線，其地震時間剖面圖(圖3)獲得了幾乎一致的結(jié)果，證實fp1斷點異常與fp2斷點異常的可靠性，只是在地塹的寬度和一些細節(jié)上略有差別。

圖3 A—A'補測測線地震時間剖面圖(多道)Fig.3 Seismic time section(multichannel)of the supplement survey line A—A'

由于在A—A'測線西南側(cè)約10 km處的B—B'測線上未發(fā)現(xiàn)類似于上述2個斷點的異常，即在fp1與fp2兩斷點往南西延伸到B—B'測線部位，全風(fēng)化及中風(fēng)化片巖反射相位都連續(xù)完整，未見上述錯斷異常特征，表明fp1與fp2兩斷點未延伸到B—B'測線。

為進一步追索引起上述2個斷點的斷裂分布方向及延伸長度，在A—A'測線與B—B'測線之間增加布置了F—F'測線，結(jié)果在F—F'測線上發(fā)現(xiàn)fp3、fp42處斷點異常(圖4)，該2個斷點異常各方面參數(shù)均符合整個斷裂帶的延伸特征，判斷斷裂延伸至F—F'與B—B'測線之間(圖1)。

圖4 fp3、fp4斷點異常地震時間剖面圖(多道)Fig.4 Seismic time section(multichannel)of breakpoints fp3and fp4

為了解斷點上覆第四紀(jì)地層分布特征，進一步判斷斷裂活動年代，在F—F'測線上又增做了高頻單道地震勘查，結(jié)果顯示，斷點上方的全風(fēng)化基巖面(Pg)出現(xiàn)了與淺層多道地震勘查結(jié)果類似的明顯落差(圖5)，其寬度也與多道地震資料基本一致，表現(xiàn)為寬約200 m的地塹。

但單道地震比多道地震更清晰地反映了Pg波組在2個斷點附近的特征，即Pg波組未出現(xiàn)截然錯斷特征，而呈近似連續(xù)的凹陷形態(tài)。據(jù)此分析認(rèn)為，該地塹部位全風(fēng)化層明顯增厚，可能是該地塹兩側(cè)斷裂形成后風(fēng)化作用沿斷層加劇造成的，說明該斷裂最新活動應(yīng)在全風(fēng)化層形成以前，因此認(rèn)為它在早—中更新世更為確切。

綜上可見，某種條件下，僅借助多道地震確定斷層的最新活動時代是有局限性的，而采用多種方法互相補充和印證比較有效。

圖5 F—F'測線單道地震時間剖面圖Fig.5 Single-channel seismic time section of the survey line F—F'

3 結(jié)論

(1)某斷裂是本次項目研究區(qū)域最重要的斷裂，它在研究區(qū)以北陸域沿江兩岸分布，總體上呈地塹式發(fā)育特征。

(2)根據(jù)本次研究成果，并結(jié)合收集到的地質(zhì)資料，可以推斷該斷裂在始入北黃海海域段仍然延續(xù)原有走向并保持地塹式發(fā)育特征。

(3)該斷裂研究區(qū)海底部分最新活動時代應(yīng)為晚更新世或晚更新世以前，早—中更新世更為確切。以往有資料推測該斷裂可能穿過海底與山東境內(nèi)的即墨—阜平斷裂相連，但本次勘查結(jié)果顯示該斷裂并未連續(xù)地沿其總體走向往西南方向延伸。

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