淺層地震反射波法在某大型工程場址工程地質(zhì)勘察中的應用

林承灝,潘浩波,方良好,毛健偉

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淺層地震反射波法在某大型工程場址工程地質(zhì)勘察中的應用

林承灝1,潘浩波1,方良好1,毛健偉2

( 1.安徽省地震局，安徽 合肥 230031；2.上海申豐地質(zhì)新技術(shù)應用研究所有限公司，上海 201702)

淺層地震反射波法是工程地質(zhì)勘察中隱伏斷裂探測的重要物探手段。為了查明某大型工程場址區(qū)內(nèi)隱伏斷裂分布特征，在近場地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，針對覆蓋層厚度薄、斷裂構(gòu)造復雜等技術(shù)難點，采用了橫波反射法對場區(qū)隱伏斷裂進行探測。分別從野外數(shù)據(jù)采集、資料處理及探測成果解釋等方面進行了詳細介紹，準確查明了場址區(qū)隱伏斷裂的位置、埋深及其展布形態(tài)等特征，并用鉆孔驗證了結(jié)果的可靠性。結(jié)果表明，橫波反射法在薄覆蓋層、復雜構(gòu)造地區(qū)的隱伏斷裂探測中能夠取得良好的應用效果，為今后類似地區(qū)開展隱伏斷裂探測提供重要技術(shù)參考。

淺層地震反射波法；工程地質(zhì)勘察；橫波反射；隱伏斷裂

( 1.SeismologicalAdministrationofAnhuiProvince,HefeiAnhui230031,China；2.ShanghaiShenfengGeologicalNewTechnologyApplicationResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai201702,China)

1 引 言

淺層地震反射波法是根據(jù)地下介質(zhì)在物性差異界面上地震波的運動學和動力學特征，來探測地層或巖體的埋深及其速度結(jié)構(gòu)的地球物理方法[1]。該方法能夠準確查明覆蓋層厚度、基巖起伏形態(tài)及隱伏斷層位置、埋深及展布形態(tài)，尤其在推斷斷層上斷點埋深方面提供重要依據(jù)[2-9]。因此，該方法在工程地質(zhì)勘察、城市活斷層探測等相關(guān)領(lǐng)域中受到了廣泛的重視。

某大型的水利樞紐工程項目擬建節(jié)制閘、船閘兩大建筑物及閘上下游河道、引航道等。該工程是一項重大的水利樞紐工程，建設(shè)規(guī)模宏大，項目選址顯得尤其重要。經(jīng)多方論證，項目前期規(guī)劃設(shè)計選址在安徽廬江縣西北部，由于該場址位于大別山東部的郯廬斷裂帶邊緣，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，構(gòu)造復雜，對場地穩(wěn)定性、工程建設(shè)及運行安全等方面存在很大安全隱患，因此，研究并查明場址范圍內(nèi)隱伏斷層分布特征是該項目工程地質(zhì)勘察的主要任務。為了查明場區(qū)隱伏斷裂的位置、埋深及展布形態(tài)等特征，本文采用淺層地震橫波反射波法，較好地解決了場區(qū)覆蓋層厚度薄、構(gòu)造復雜等不利條件的影響，獲得了滿意的效果，探測結(jié)果為項目工程場址的選擇、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面提供了可靠的依據(jù)。

2 近場區(qū)地質(zhì)概況和地球物理前提條件

2.1 地質(zhì)條件概況

近場區(qū)主要位于華南新構(gòu)造區(qū)下?lián)P子隆陷帶，該隆陷帶由受斷裂控制系列的條狀隆起和盆地相間組成[10]。新構(gòu)造運動主要以差異性的升降運動為特征，西部的大別山帶為相對的上升區(qū)，其余大部分地區(qū)為下降區(qū)。近場區(qū)內(nèi)斷裂在新構(gòu)造期具有明顯的活動，控制了新第三紀地層及噴出巖以及第四紀更新世地層的分布，結(jié)合斷裂剖面分析，區(qū)內(nèi)的斷裂在第三紀時期活動明顯，但在第四紀時期活動減弱，晚第四紀期以來活動跡象不明顯。新生代沉積及斷裂的活動性表明，新構(gòu)造期以來近場區(qū)構(gòu)造活動趨于減弱。

近場區(qū)第四系地層發(fā)育較廣泛，厚度分布在10～35 m，主要以沖積型為主，其次為湖積、殘坡積等，其地層分布簡述如下：

第四紀中下更新統(tǒng)(Q1+2)：主要沉積為洪積物，其次為沖積物和殘坡積物。巖性為砂、礫石層、淺棕紅色亞黏土夾灰白色黏土條帶等，厚度約0～20 m，主要集中分布在場地西南部。

第四紀上更新統(tǒng)(Q3)：主要沉積為沖積物，褐黃色夾青灰色亞黏土，結(jié)構(gòu)致密，黏性和塑性較強，含鐵錳結(jié)核和鈣質(zhì)結(jié)核，并有較多的銹斑。底部為棕黃色含礫亞黏土、亞砂土等，厚度約0～30 m。

第四紀全新統(tǒng)(Q4)：主要為河流沖積物，其次為湖積物。分布于河谷及湖岸附近，組成河湖漫灘和一級階地。沖積物主要分布于現(xiàn)代河流的兩側(cè)。下部以亞砂土、砂礫為主，上部以亞黏土為主。

場區(qū)及其周圍基巖巖性主要為上侏羅統(tǒng)(J3)火山凝灰?guī)r、泥巖、砂巖等，呈強風化—中風化。

2.2 地球物理前提條件

根據(jù)場地附近鉆孔勘察資料，近場區(qū)范圍內(nèi)第四系覆蓋層厚度較薄，巖性主要為粉質(zhì)黏土、黏土、砂礫石等。根據(jù)本次現(xiàn)場測試的剪切波速數(shù)據(jù)及地區(qū)經(jīng)驗值，綜合考慮場區(qū)內(nèi)主要物性參數(shù)如表1所示。

從表1中分析可知，各層介質(zhì)之間存在較為明顯的波阻抗差異，有利于相位追蹤，為本地區(qū)開展淺層地震勘探提供了必要的地球物理條件。

表1 主要介質(zhì)物性參數(shù)值

3 工作方法

3.1 淺層地震反射波法

淺層地震反射波法是地震勘探方法中應用較為廣泛的一種方法。該方法主要根據(jù)組成地層巖石的彈性差異，利用人工激發(fā)地震波，當?shù)卣鸩ㄏ蛳聜鞑ビ龅綇椥圆煌姆纸缑鏁r，就會發(fā)生反射，地震勘探儀器記錄這些反射地震波。由于反射波在介質(zhì)中傳播時，其傳播路徑、振動強度和波形將隨通過介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)的不同而變化，根據(jù)接收到的反射波旅行時間和速度資料，就能推斷解釋地層結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)，而根據(jù)反射波的振幅、頻率、速度等參數(shù)，則可以推斷地層或巖石的性質(zhì)，從而達到地震勘探的目的[11]。

3.2 測線布設(shè)

在前期地震地質(zhì)調(diào)查等資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場工作條件，在場地北部和南部各布設(shè)了1條控制性地震勘探長測線Ⅰ與Ⅱ，測線走向近NW向，具體位置如圖1所示，Ⅰ測線長度為3.165 km，Ⅱ測線長度為4.101 km。

3.3 野外數(shù)據(jù)采集

由于工程場地覆蓋層厚度薄，地層較復雜，靠近居民區(qū)，環(huán)境噪聲干擾較強等不利因素，給現(xiàn)場施工帶來很大難度，為了獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料，在激發(fā)震源選擇、激發(fā)方式、觀測系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)都進行了精心的前期試驗準備工作。

本次勘探使用美國SI儀器公司生產(chǎn)的S-LAND全數(shù)字化地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)為國內(nèi)外目前性能最為優(yōu)良的淺層地震勘探儀器之一。

激發(fā)震源是獲取高信噪比地震記錄的關(guān)鍵，鑒于城市活斷層探測工作大量實例，本次工作采用壓制隨機干擾強、性能穩(wěn)定、可重復性以及對環(huán)境無破壞等優(yōu)點的WTC5060TZY型縱橫波兩用可控震源，該震源的最大振動出力為30 kN，振動頻率范圍為6～250 Hz。

激發(fā)方式分為縱波和橫波兩種方法，在工作前期分別進行了縱波和橫波擴展排列試驗，以選擇最佳采集窗口和最優(yōu)的激發(fā)方式?？v波試驗采用單邊激發(fā)，道間距3 m，72道排列，圖2(a)為縱波試驗的單炮記錄，面波、直達波清晰可辨，但反射波不發(fā)育，原始記錄信噪比低，難以分辨有效反射波。因此，該場地不具備開展淺層縱波地震勘探的條件；橫波試驗采用中間激發(fā)對稱觀測，道間距3 m，72道排列，圖2(b)為橫波試驗的單炮記錄，面波、直達波、反射波均有發(fā)育，且清晰可辨。綜合分析認為橫波反射波法為更好的選擇。

圖1 工區(qū)測線布置Fig.1 The layout map of lines at working site

圖2 現(xiàn)場排列試驗單炮記錄Fig.2 The single shot records of the arrangement test

針對縱波地震記錄反射波不發(fā)育情況，初步分析可能是：一方面覆蓋層底部存在厚層狀砂礫石，導致地震波能量大量衰減；另一方面縱波比橫波傳播速度快，致使縱波地震記錄中時間窗口窄，加之基巖埋深淺，反射波信號大部分被直達波淹沒，分辨率低。因此，橫波比縱波勘探在淺層目標探測中具有更為明顯的優(yōu)勢。根據(jù)上述試驗結(jié)果，本次工作采用橫波勘探方法，確定最終采集參數(shù)以及觀測系統(tǒng)布置如表2所示，其中采樣率為0.5 ms，采樣長度為1 024 ms。

表2 觀測系統(tǒng)參數(shù)

3.4 數(shù)據(jù)資料處理

資料處理的目的是提高有效反射波信號的信噪比和分辨率，獲取地層彈性波速，常規(guī)的數(shù)據(jù)處理包括各種校正、濾波、反濾波、褶積、反褶積、疊加以及偏移等處理手段。本次資料的處理采用了vista和geogiga處理軟件包相結(jié)合，數(shù)據(jù)處理以獲取淺層信息為主，盡量保留寬、高頻信息，以提高淺層地震數(shù)據(jù)分辨率。為了盡可能地避免各種外界干擾，最大程度地保留數(shù)據(jù)中的原始信號，數(shù)據(jù)采集選擇在夜間進行，為高信噪比、高保真度數(shù)據(jù)處理提供了有效的保障[12,13]。

由于本次測線位置地形較平坦，地形起伏對資料影響可以忽略，無須進行地形校正處理。針對淺層目標，數(shù)據(jù)處理中主要進行常規(guī)數(shù)據(jù)編輯、疊前去噪以及疊加速度分析。

圖3是Ⅰ測線原始橫波單炮記錄的頻譜圖，頻帶范圍較寬，反射波有效頻帶集中在20～50 Hz，圖4是原始單炮記錄處理前后效果對比圖，處理后反射波組清晰可見。通過頻譜圖進行頻譜分析以了解資料中的有效波的主頻，據(jù)此設(shè)計相應的帶通濾波器對數(shù)據(jù)進行濾波，經(jīng)過效果分析對比，最后確定最佳濾波參數(shù)。疊前F-K濾波主要用來衰減面波等干擾波，可以明顯提高資料的信噪比和分辨率。疊加速度提取重點是速度譜分析，對于淺層資料處理中采用小速度增量和小CMP間隔增量，結(jié)合測線附近鉆孔分層剪切波速資料，求取準確的疊加速度，為后續(xù)的動校正處理提供可靠的速度資料。

圖3 單炮記錄頻譜Fig.3 Spectrum diagram of single shot

圖4 測線Ⅰ單炮記錄處理前后對比Fig.4 Comparison of single shot between raw and processed data in lineⅠ

4 資料解釋與分析

4.1 地質(zhì)解釋

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，獲得測線Ⅰ與Ⅱ時間疊加剖面圖，如圖5(a)與圖6(a)所示，圖中所示為勘探測線中的某一段剖面；圖5(b)與圖6(b)分別是由相應的時間疊加剖面經(jīng)時深轉(zhuǎn)換后獲得的深度剖面，其中轉(zhuǎn)換所用速度參數(shù)是由前面速度分析中獲得的疊加速度，利用DIX公式轉(zhuǎn)換成地層平均速度，再結(jié)合測線附近的鉆孔剪切波速資料進行反復修正所獲得的平均地層速度。

4.1.1 Ⅰ測線

圖5所示為Ⅰ線時間疊加剖面圖以及地質(zhì)解釋圖，時間疊加剖面反射波阻信噪比相對較高，能夠較為清楚地反映測線下淺部地層形態(tài)特征。時間剖面圖中存在一組反射能量強、振幅均衡、震相特征明顯的反射波同相軸T0(紅色曲線)。整體上分析，該相位在橫向上分布較穩(wěn)定，起伏平緩，其雙程反射時間約為80～224 ms，根據(jù)地層波速數(shù)據(jù)對剖面進行深度校正，T0反射界面埋深約為10～28 m，推斷為侏羅系基巖與第四系覆蓋層分界面反映，在樁號1 372～1 456 m范圍內(nèi)，T0同相軸發(fā)生明顯錯斷、扭曲現(xiàn)象，異常明顯，異常區(qū)記為A，排除周圍環(huán)境干擾因素，推斷該處異常為斷層錯斷地層所致，推斷上斷點埋深約為10～12 m，落差約為12～15 m。

4.1.2 Ⅱ測線

Ⅱ測線布置在道路附近，測線走向由西北向東南，地形起伏平緩，該測線實測的時間疊加剖面圖如圖6(a)所示，圖中存在2組相對明顯的同相軸(紅色曲線)，其中T1軸約在88～115 ms之間起伏變化，分布零散，僅在測線起始端0～650 m范圍內(nèi)分布較為穩(wěn)定，其余段落未見明顯分布，因此，該組相位不能作為有效的追蹤目標層，結(jié)合鉆孔資料推斷為第四系內(nèi)部黏土層與砂礫石層界面反射。T0軸反射能量較為均一，相位分布相對穩(wěn)定，可作為追逐目標層進行分析對比，其雙程反射時間約為91～450 ms，對應深度約為16～78 m，推斷為侏羅系基巖與第四系覆蓋層分界面反映。T0同相軸在樁號819～1 570 m范圍內(nèi)發(fā)生明顯錯斷、扭曲現(xiàn)象，異常特征明顯，在排除外界環(huán)境干擾因素下推斷為斷層錯斷地層反映，該異常區(qū)記為B。由于T1相位在時間剖面圖中未能進行有效追蹤，無法推測斷層淺部發(fā)育特征，根據(jù)T0軸錯斷特征，推斷上斷點埋深約為26～35m，斷層下降盤同相軸連續(xù)性較差，能量較弱，根據(jù)測線附近鉆孔資料顯示，異常區(qū)B下降盤基巖埋深在60 m以上。

圖5 Ⅰ線地震勘探時間剖面與地質(zhì)解釋剖面Fig.5 Time stack section and geological profile in line Ⅰ

圖6 Ⅱ線地震勘探時間剖面與地質(zhì)解釋剖面Fig.6 Time stack section and geological profile in line Ⅱ

4.2 斷裂分析

根據(jù)地震剖面解譯結(jié)果，結(jié)合鉆孔資料分析可知，Ⅰ測線存在異常區(qū)A，標記為斷點F1-1，推斷為傾向東南的正斷層；Ⅱ測線存在異常區(qū)B，標記為斷點F2-1和F2-2，其中F2-1推斷為傾向東南的正斷層，F(xiàn)2-2推斷為傾向北西的正斷層，由F2-1和F2-2兩條正斷層形成地塹型斷裂帶。綜合2條測線探測結(jié)果顯示，通過異常區(qū)A和B存在一條隱伏斷裂帶，走向大致為北北東向，斷裂平面分布如圖7所示。

為了驗證地震剖面解譯結(jié)果的正確性，在2條測線附近布置2組共5個鉆孔(鉆孔平面位置如圖7所示)，其中ZK1和ZK2為第一組鉆孔，ZK3～ZK5為第二組鉆孔，每個鉆孔均揭露到基巖深度。根據(jù)鉆孔資料顯示，工區(qū)范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)為地表粉質(zhì)黏土、黏土層(Q3+4)，厚度變化較大；中部為粗砂、礫石層(Q1+2)，僅在工區(qū)西南部零星分布，厚度變化較大；下部基巖地層主要形成于上侏羅統(tǒng)(J3)，揭露出巖性主要有泥巖、砂巖及安山質(zhì)凝灰?guī)r，基巖頂面可作為斷層性質(zhì)的標志層。

ZK1和ZK2分別布置在斷裂帶內(nèi)部上盤和斷裂帶東側(cè)下盤，其揭露基巖埋深分別約為31.5 m和20.5 m，基巖埋深落差約為11 m，推測為基巖斷層反映。ZK3～ZK5分別布置在斷裂帶西側(cè)下盤、斷裂帶內(nèi)上盤及斷裂帶東側(cè)下盤，揭示第四系土層由上部的粉質(zhì)黏土和黏土以及下部的砂礫石層，揭露基巖埋深分別約為33.5 m、62 m及23 m，其中ZK3與ZK4基巖埋深落差約為28.5 m，ZK5與ZK4基巖埋深落差約為39 m，推測ZK3與ZK4之間以及ZK5與ZK4之間存在斷層構(gòu)造。因此，地震反射剖面解釋的異常區(qū)A和B兩處的異常特征與鉆孔驗證具有很好的對應關(guān)系。

圖7 工區(qū)內(nèi)隱伏斷層分布Fig.7 The distribution map of concealed faults at working site

綜上所述，工區(qū)范圍內(nèi)存在一條北北東走向的地塹型隱伏斷裂帶，該斷裂帶在工區(qū)南部由兩條規(guī)模較大的傾向相對的正斷層形成的地塹型異常帶，在工區(qū)北部形成一條傾向東南的正斷層，該斷裂帶影響寬度約為84～751 m，其中工區(qū)南部影響帶寬度較北部范圍大，上斷點埋深在10～35 m之間，傾角約為66°～77°。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造分布，推斷該斷裂帶屬于郯廬斷裂帶的次級分支斷裂，即池河—西山驛斷裂，異常區(qū)A和B的位置較前人推斷的位置分別西移了約0.1 km和1.2 km。工區(qū)范圍內(nèi)第四系覆蓋層厚度約為10～35 m，但在斷層破碎帶附近，由于受到斷層錯斷影響，斷層上盤覆蓋層最大厚度達78 m左右。

5 結(jié) 語

本文通過淺層地震反射波法在某大型工程場址工程地質(zhì)勘察中隱伏斷層探測的應用實例，獲得以下幾點認識：

1)淺層地震反射波法實際野外工作中，應結(jié)合場地地震地質(zhì)條件，通過典型性試驗來優(yōu)選施工技術(shù)參數(shù)，在覆蓋層厚度薄、基巖埋深淺、構(gòu)造復雜地區(qū)，尤其是存在厚層狀砂礫石層的情況下，采用橫波勘探比縱波勘探能夠獲得更好的應用效果。

2)通過淺層地震反射波法，查明了池河—西山驛斷裂帶在近場范圍內(nèi)隱伏段的準確位置、埋深及形態(tài)特征，為該項目工程建設(shè)的可行性研究和規(guī)劃設(shè)計提供了參考依據(jù)，也為后期開展地震地質(zhì)研究提供重要的地球物理資料。

3)Ⅱ測線在距離800～1 600 m之間，由于各種因素制約，地震剖面的信噪比較低，在后期詳勘階段，可以通過小重量人工震源、小道間距、小偏移距、短排列和高頻檢波器接收的工作方法，最大程度獲取淺部、高頻反射信息，對斷層在淺部松散層內(nèi)發(fā)育特征進行進一步的深入分析研究，以查明斷層活動的最新狀態(tài)。

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The Application of Shallow Seismic Reflection Wave Method to Engineering Geological Investigation in One Large Engineering Site

Lin Chenghao1，Pan Haobo1，F(xiàn)ang Lianghao1，Mao Jianwei2

Shallow seismic reflection wave method is one of the important geophysical exploration methods of concealed fault detection in engineering geology investigation. In order to find out the distribution features of concealed faults in a large project site, the SH-wave reflection method was used in detecting the concealed faults in this paper, based on the analysis of geological data in near-site and focused on many technique problems, such as the thin sediment and complicated geological structure and so on. The key technique points were introduced in detail, such as data acquisition, data processing and profile interpretation and so on, and the location, buried depth and distribution characteristics of concealed faults were investigated precisely and the reliability of the results was tested by drills. The result shows that it has achieved good application effect in thin sediment and complicated geological structure by SH-wave reflection. This method and technique will provide an important technical reference for detection of concealed fault in this region and the other area with similar geological conditions.

shallow seismic reflection wave method; engineering geological investigation; SH-wave reflection; concealed fault

1672—7940(2016)05—0652—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.05.016

安徽省地震科研基金青年項目(編號:20160612)；中國綜合地球物理場觀測大華北地區(qū)項目(編號:201508009)

林承灝(1984-)，男，工程師，主要從事工程地球物理勘探和地震安全性評價等方面工作。E-mail：290659262@qq.com

P631.4

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2016-05-15