綜合地球物理方法在地震安全性評價中的應(yīng)用和成果

蔡玲玲，楊歧焱，郭秋娜，溫　超，李　皓，呂國軍，彭遠(yuǎn)黔

(河北省地震局，石家莊　050021)

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綜合地球物理方法在地震安全性評價中的應(yīng)用和成果

蔡玲玲，楊歧焱，郭秋娜，溫超，李皓，呂國軍，彭遠(yuǎn)黔

(河北省地震局，石家莊050021)

摘要：以唐曹鐵路地震安全性評價項(xiàng)目探測斷裂為例，采用淺層地震勘探、小折射和鉆探等綜合地球物理方法，查明寧河—昌黎斷裂的展布情況，并結(jié)合鉆孔資料判定斷層的活動時代。 研究結(jié)果表明，寧河—昌黎斷裂呈NEE向展布，由南、中、北3段組成，南北兩段以正斷為主，中段為走滑性質(zhì)，為早—中更新世斷裂。補(bǔ)充和豐富了該地區(qū)的地球物理勘探資料，為該地區(qū)的地震安全性評價，國土資源規(guī)劃等提供基礎(chǔ)資料。

關(guān)鍵詞：綜合地球物理方法；地震安全性評價；寧河—昌黎斷裂

0引言

斷裂等地質(zhì)構(gòu)造的活動可以引發(fā)地震或者直接產(chǎn)生地面變形，對地面建、構(gòu)筑物可產(chǎn)生直接破壞，也可能會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的次生災(zāi)害[1]。地球物理勘探是探測隱伏構(gòu)造的有效手段，通過地球物理勘探工作，明確斷裂等構(gòu)造的展布位置、最新活動時代，對確定建、構(gòu)筑物的避讓位置、活動構(gòu)造的發(fā)震能力有重大意義[2-3]，所以探測斷裂等構(gòu)造是地震安全性評價工作中非常重要的工作。淺層地震勘探方法以其精度高,反映地質(zhì)構(gòu)造直觀、準(zhǔn)確,尤其是對活動斷層的判別起到關(guān)鍵性作用等特點(diǎn),被廣泛地應(yīng)用到地震安全性評價工作中。反射地震勘探技術(shù)是根據(jù)地下介質(zhì)在物性差異界面上地震波的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征，探測地層或巖體的埋深及其速度結(jié)構(gòu)，該方法已在油氣、礦產(chǎn)資源及深部結(jié)構(gòu)探測中得到了廣泛而有效的應(yīng)用。目前，在城市活動斷層探測中，主要采用淺層反射地震勘探方法。通過一系列的實(shí)踐和探索，在觀測系統(tǒng)的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集參數(shù)的選取、資料處理和解釋等技術(shù)方面已得到了較大的提升，并取得了很好的勘探效果。在唐曹鐵路的淺層地震勘探過程中,針對不同的地震地質(zhì)條件,采用靈活多變的技術(shù)措施,取得了明顯的效果[4]。

1概況

圖1　唐曹鐵路位置示意圖及區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造圖

2淺層地震勘探

地震勘探作為一種高精度的地球物理勘探方法，已被廣泛用于石油、煤炭、冶金等地質(zhì)領(lǐng)域，地震反射波資料能很好地解決如地層劃分、斷裂構(gòu)造、古河道(谷)及砂體圈定等地質(zhì)問題，且具有較高的分辨率[5]。自第三紀(jì)以來，沉積有不同顆粒的砂層、粘土層及粉質(zhì)粘土層等不同巖性的地層，各地層之間存在明顯的波阻抗差異，在地震波傳播過程中將會產(chǎn)生明顯的反射界面，從而說明該區(qū)淺部地震地質(zhì)條件較好，具備開展地震勘探的物性前提[6]。

勘探區(qū)范圍內(nèi)地層傾角較小，基本滿足地震勘探中彈性波相關(guān)理論的水平層狀介質(zhì)的假設(shè)條件；勘探區(qū)地形高差較小，地勢平坦，對數(shù)據(jù)采集結(jié)果的影響不大，且便于野外施工。根據(jù)斷層探測的目的以及第四系地層物性特征，選用淺層地震反射波方法進(jìn)行勘探。

此次淺層地震勘探工作，采用美國Geometrics公司Strata Visor NZ XP型地震儀進(jìn)行地震勘探數(shù)據(jù)采集。地震波采用70 kg沖擊震源激發(fā)，該震源勘探深度能夠達(dá)到400 m。工作中采用沖擊夯源沖擊置于地面的金屬墊板，以便提高震動能的耦合轉(zhuǎn)換效率。

根據(jù)目標(biāo)區(qū)地質(zhì)及巖石物性特征，為提高測量精度，使解釋工作更準(zhǔn)確，野外施工時采用接收排列在前、激發(fā)炮點(diǎn)在后、下傾方向激發(fā)、上傾方向接收，單邊放炮，連續(xù)追蹤的反射波法觀測系統(tǒng)。具體采集參數(shù)見表1。

表1　觀測系統(tǒng)和地震數(shù)據(jù)采集參數(shù)

2.1干擾波調(diào)查

通過干擾波調(diào)查，可以查清工區(qū)內(nèi)主要干擾波的類型，例如面波、淺層折射波、聲波、高頻干擾波和環(huán)境噪聲等。目的是為了采取有效措施壓制干擾波，突出有效波，提高信噪比，增強(qiáng)資料品質(zhì)。

圖2為采用偏移距0 m、道間距4 m，單只60 Hz檢波器展開接收的擴(kuò)展排列原始記錄圖。從圖中可以看到,干擾波較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為強(qiáng)的面波、直達(dá)波、淺層折射波，部分測線有聲波干擾。測區(qū)內(nèi)反射波與主要干擾波基本分離出現(xiàn)的時間、道序隨地段存在差異，為了盡可能增加淺部信息，偏移距不宜過大，本次選用16 m偏移距。

注：①直達(dá)波；②淺層折射波；③反射波；④面波圖2　測線擴(kuò)展排列原始記錄圖

2.2低速帶測定及結(jié)果

根據(jù)地表覆蓋層的分布特點(diǎn)，選擇有代表性的地段進(jìn)行了低速帶測定，目的是為了在數(shù)據(jù)處理中消除低速帶厚度變化對測量結(jié)果的影響，提高剖面資料質(zhì)量。低速帶測定采用小折射相遇時距曲線觀測系統(tǒng)。為了準(zhǔn)確地測定低速層的速度和厚度，選擇了0.5 m偏移距，每端分別激發(fā)地震波。圖3為垂直于測線Ts01小折射反演結(jié)果，各測線低速帶速度及厚度情況見表2。

圖3　測線Ts01小折射反演結(jié)果

小折射編號V1速度/(m/s)V2速度/(m/s)低速帶厚度/mTs01-140012004.0Ts02-140012004.0Ts03-140012002.0Ts05-140012003.0Ts06-150011003.0

由表2可見，該區(qū)低速帶的波速V1一般在400～500 m/s之間；低速帶底面速度V2為1 100～1 200 m/s；低速層厚度2.0～4.0 m。

2.3地震數(shù)據(jù)處理及解釋

地震資料處理使用的軟件包括：日本OYO公司折射處理軟件PlotRefa、加拿大GEDCO公司地震反射處理軟件Vista11.0。為了獲得高分辨率的淺層地震資料，除了在野外采集原始資料時使用盡可能寬的頻帶之外，還應(yīng)在資料處理中選擇合適的處理方法，補(bǔ)償?shù)貙蛹捌渌堑刭|(zhì)因素造成的高頻損耗，確保高頻有效反射波在處理中不受損失，提高資料的信噪比。

雖然地震數(shù)據(jù)處理沒有一個嚴(yán)格統(tǒng)一的模式，不同地區(qū)地震資料，處理流程可能不盡相同，但總的原則是以盡量補(bǔ)償和保護(hù)地震信號的高頻成分，提高信噪比和分辨率為目的。因此，在處理中應(yīng)對原始資料的品質(zhì)進(jìn)行認(rèn)真分析，了解有效波和干擾波的頻率分布范圍，選擇適當(dāng)?shù)臑V波方法來消除干擾，做好動、靜校正和速度分析等，最大限度地保證同相位疊加。根據(jù)野外原始資料品質(zhì)分析結(jié)果，并通過大量的處理方法和參數(shù)試驗(yàn)，最終選用了如下具有針對性的地震數(shù)據(jù)處理流程：1)野外地震數(shù)據(jù)解譯；2)觀測系統(tǒng)定義；3)振幅恢復(fù)；4)炮(道)編輯；5)數(shù)字濾波；6)靜校正；7)反褶積；8)速度分析；9)動校正；10)剩余；11)共反射點(diǎn)疊加；12) 疊后反濾波；13)疊后偏移；14)時深轉(zhuǎn)換。野外原始地震記錄經(jīng)過資料處理之后，便可得到能夠反映地下不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的地震反射時間剖面圖和速度結(jié)構(gòu)圖，這些圖件從不同的方面反映了地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的特征。資料解釋的主要內(nèi)容就是結(jié)合地質(zhì)資料和鉆孔資料對這些圖作出相應(yīng)的地質(zhì)解釋。本次反射地震勘探的資料解釋工作主要包括：地震反射時間剖面的分析與解釋，深度剖面圖的繪制及斷層的判定等。

依據(jù)地震勘探剖面的反射波組特征，結(jié)合地質(zhì)資料的對比分析，可以確定地震波組及其與地質(zhì)層位的關(guān)系。對反射波組的分叉、合并、中斷、尖滅等現(xiàn)象和上下地層反射波組的相互依賴關(guān)系的細(xì)致分析，能夠判斷這些變化與地層變化的關(guān)系，從而獲得地層的縱、橫向變化及構(gòu)造情況，進(jìn)而確定可能存在斷錯反射層的斷裂的位置、產(chǎn)狀和活動性。反射時間剖面解釋包括以下主要內(nèi)容：①確定主要地質(zhì)層位與反射層的關(guān)系；②判定斷層或破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造等。

活動斷層探測的主要目標(biāo)是要確定斷層的位置和產(chǎn)狀，鑒于篇幅所限，在此選取2條典型的測線進(jìn)行介紹。圖4是測線a經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的地震反射時間剖面、時—深轉(zhuǎn)換剖面、地質(zhì)解釋剖面。在圖4a地震反射時間剖面中，豐富的地層界面反射波組出現(xiàn)在剖面400 ms以上的時間范圍內(nèi)，存在2組起伏變化的反射波組，由4～5個強(qiáng)相位組成，在剖面圖上解釋了2個地層反射界面，標(biāo)識為T1、T2。

圖4　測線a淺層地震勘探反射時間剖面和地質(zhì)解釋剖面圖

從剖面中反射波同相軸的橫向連續(xù)性來看，T1在整個剖面中的360～400 m (CDP181～201)之間呈現(xiàn)不連續(xù)，根據(jù)剖面上反射波同相軸的橫向變化特征和上下反射波組的關(guān)系，在該測線剖面上解釋了1個斷點(diǎn)，標(biāo)識為F1。根據(jù)時—深轉(zhuǎn)換剖面和地質(zhì)解釋剖面，斷層上斷點(diǎn)埋深為70 m左右，斷層錯動上更新統(tǒng)(Q3)中部，但是沒有錯動其上部。

圖5是測線b經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的地震反射時間剖面、地質(zhì)解釋剖面。在圖5a中，豐富的地層界面反射波組出現(xiàn)在剖面500 ms以上的時間范圍內(nèi)，存在2組平緩變化的反射波組，由3～4個強(qiáng)相位組成，在剖面圖上解釋了2個地層反射界面，標(biāo)識為T1、T2。從剖面中反射波同相軸的橫向連續(xù)性來看，T1在整個剖面中的1 560～1 640 m (CDP781～821)之間呈現(xiàn)不連續(xù)，根據(jù)剖面上反射波同相軸的橫向變化特征和上下反射波組的關(guān)系，在該測線剖面上解釋了1個斷點(diǎn)，標(biāo)識為F2。根據(jù)時—深轉(zhuǎn)換剖面和地質(zhì)解釋剖面，斷層上斷點(diǎn)埋深為90 m左右，斷層錯動上更新統(tǒng)(Q3)中部，但是沒有錯動其上部。

3鉆探

圖5　測線b淺層地震勘探反射時間剖面和地質(zhì)解釋剖面圖

圖6　唐曹鐵路鉆孔柱狀圖——以跨沿海高速公路特大橋鉆孔為例

4勘探成果

通過淺層地震勘探并結(jié)合鉆孔資料得到結(jié)論如下：寧河—昌黎斷裂呈NEE向展布，由南、中、北3段組成，南北兩段以正斷為主，中斷為走滑性質(zhì)。5條測線結(jié)果表明，斷層上斷點(diǎn)為60～120 m，結(jié)合鉆孔資料，判斷出沒有錯斷上更新統(tǒng)，為早—中更新世斷裂。

圖7　地震勘探成果圖

5結(jié)論與討論

本文以唐曹鐵路活動斷層探測為例，較系統(tǒng)地介紹了在地震安全性評價工作中，運(yùn)用綜合地球物理勘探方法開展隱伏活動斷層探測的野外工作、資料處理和解釋，并總結(jié)如下：

1)在斷層勘探中，需根據(jù)具體的場地條件和第四系沉積覆蓋特點(diǎn)進(jìn)行探測。在沉積相較好的地區(qū)，淺層地震反射波法為首選的探測方法，可查明隱伏斷裂的展布位置、上斷點(diǎn)埋深等重要參數(shù)，獲得對斷裂構(gòu)造特征的認(rèn)識。

2)盡管地震安全性評價中鉆孔深度有限，仍可充分利用其鉆孔資料，與淺層地震勘探資料相互印證，特別是為上斷點(diǎn)的解釋提供依據(jù)。

3)通過此次淺層地震勘探布設(shè)了5條淺層地震勘探剖面，查明寧河—昌黎斷裂的走向、性質(zhì)，并分析其活動時代。

4)通過此次探測，補(bǔ)充和豐富了該地區(qū)的地球物理勘探資料，為該地區(qū)的地震安全性評價、國土資源規(guī)劃等提供基礎(chǔ)資料。

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Synthesis Geophysical Method in Earthquake Safety Evaluation

CAI Ling-ling, YANG Qi-yan, GUO Qiu-na, WEN Chao, LI Hao, LYU Guo-jun,PENG Yuan-qian

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China)

Abstract:In the seismic safety evaluation of Tang-cao railway project, we use synthesis geophysical methods including shallow seismic exploration, refraction, drilling to find out the distribution and activity time of the Ninghe-changli fault conbining with drilling data. The results show that the Ninghe-changli fault is an early-middle Pleistocene fault which extends in dirction of NEE and cosists of 3 segment:south segment, middle segment and north segment, the south segment and north segment are mainly normal type while the the middle is strike-slip type. The study supplements and enrichs the geophysical prospecting data of the region and provides basic data for the seismic safety evaluation, land planning, et al.

Key words:synthesis geophysical method; seismic safety evaluation; Ninghe-changli fault

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.004

中圖分類號:P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1003-1375(2016)01-0021-09

作者簡介：蔡玲玲(1983—)，女，河北臨城人，工程師，主要從事地震監(jiān)測工作.E-mail：caill9911@163.com

基金項(xiàng)目：河北省地震科技星火計劃項(xiàng)目(DZ20140714052)

收稿日期:2015-05-05

蔡玲玲，楊歧焱，郭秋娜，等．綜合地球物理方法在地震安全性評價中的應(yīng)用和成果[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(1):21-29.