利用淺層反射波法探查城市地下斷層構(gòu)造

王小明，張平松，吳榮新

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

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利用淺層反射波法探查城市地下斷層構(gòu)造

王小明，張平松，吳榮新

(安徽理工大學(xué) 地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

地下斷層構(gòu)造是影響城市安全的一項重要因素，近年來，淺層反射波法已逐漸應(yīng)用于城市地下地質(zhì)異?？辈?。針對福建某城市斷層構(gòu)造特征，首先，建立了反射地震模型，為現(xiàn)場測試系統(tǒng)合理布置提供依據(jù)；其次，通過現(xiàn)場實測，獲得了斷層構(gòu)造的波場響應(yīng)特征，并與電法勘探結(jié)果進(jìn)行對比解釋，結(jié)果表明淺層反射波法可對城市地下斷層進(jìn)行有效定位。

斷層構(gòu)造；淺層反射波法；模擬與探測；城市物探

1 引 言

研究表明，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，沿著斷層帶分布的建筑物遭受到的破壞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偏離斷層幾十米以外的建筑物。這一重要研究使許多國家的地震科學(xué)家和政府都清楚地認(rèn)識到城市斷層探測的重要性和緊迫性。城市斷層常用的地球物理探測方法有淺層地震反射波法勘探、地震面波勘探、地震映像技術(shù)、地質(zhì)雷達(dá)、淺層瞬變電磁法、直流電法等物探手段。我國大中城市往往位于盆地與平原地區(qū)，城市地下斷層大多是被第四紀(jì)松散沉積物覆蓋的隱伏斷層。由于城市內(nèi)的各種振動和電磁干擾十分嚴(yán)重，給地震活動斷層探測及精確定位帶來了很大的困難。其中地球物理方法中的淺層反射地震法是城市活斷層探測常用的技術(shù)之一。淺層地震反射波法是目前工程地震勘探廣泛應(yīng)用的一種方法，和其他物探方法相比，反射波法具有分辨率高、精度高、信息豐富的特點。在工程地質(zhì)勘查中，淺層地震反射波法勘探主要用于查明第四系覆蓋層厚度及分層，基巖埋深及基巖面形態(tài)，以及存在不良地質(zhì)構(gòu)造的位置、規(guī)模、產(chǎn)狀、走向等情況，旨在為城市各項建設(shè)的總體部署提供地質(zhì)依據(jù)[1-5]。

本文以對福建某城市的地質(zhì)勘查為例，在分析該地區(qū)地質(zhì)條件和前期地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，建立了淺層地震地質(zhì)模型，對斷層特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究，為研究地震波的傳播機理以及地層的解釋提供佐證。在后期資料解釋時，將獲得的反射地震剖面與電測深剖面進(jìn)行對比驗證，利用兩種地球物理方法提供的不同地質(zhì)信息進(jìn)行綜合解釋[9]，準(zhǔn)確定位研究區(qū)域內(nèi)的基巖起伏形態(tài)及斷裂位置。

2 研究區(qū)域地質(zhì)及地球物理特征

區(qū)內(nèi)位于新華夏構(gòu)造體系的長樂—南澳斷裂帶和第二帶之上，是由一系列呈NE走向且多期次的斷裂破碎帶、變質(zhì)帶、火山噴發(fā)帶、巖體侵入帶、巖脈及片麻巖等構(gòu)成。北部有EW向NEE向斷裂帶，屬緯向構(gòu)造體系。斷裂構(gòu)造是本區(qū)最主要的構(gòu)造形跡，褶皺少見且規(guī)模小。地勢總體是地勢由西北山地向東南部的丘陵、臺地、濱海平原逐漸降低。地貌類型大致分為三類，北部為中低山，中部為興化平原，南部為低丘。區(qū)內(nèi)地層發(fā)育不全，主要有前泥盆系親營山組、侏羅系長林組、南園組及第四系。本地區(qū)淤泥、粉質(zhì)黏土的縱波速度VP=800～1 550 m/s；殘積土、全風(fēng)化巖及強風(fēng)化巖的縱波速度VP=800～2 500 m/s；中風(fēng)化巖的縱波速度VP>2 500 m/s。可以看出，主要層位波速差異較大，各層位波阻抗差異明顯，為開展地震反射探測提供了良好的地球物理條件。

3 斷層特征數(shù)值模擬

在淺層地震勘探中數(shù)據(jù)質(zhì)量尤為重要，原始資料獲取的好壞，直接影響到資料數(shù)字處理的質(zhì)量和解釋的精度，關(guān)系到地震勘探的成功與失敗，因此，它是淺層地震勘探工作中非常重要的環(huán)節(jié)[6-8]。為了保證研究區(qū)獲取較佳的原始數(shù)據(jù)，建立斷層模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

根據(jù)研究區(qū)前期地質(zhì)及鉆孔資料以及現(xiàn)場波速測試資料，建立淺層地震地質(zhì)模型以及各項正演參數(shù)如下：①模型大小600 m×100 m；②震源子波為雷克子波，主頻60～80 Hz。③速度參數(shù)以模擬沉積巖地區(qū)為主。數(shù)值模擬采用有限差分法。模型參數(shù)如下表(表1)所示。

表1 模型參數(shù)

表1中，地層厚度根據(jù)研究區(qū)鉆孔柱狀圖劃分地層，各地層波速均為現(xiàn)場波速測試結(jié)果。

在淺層地震勘探中，勘探的重點是地表以下幾米至幾十米，因此，為了保證接收到最淺目的層的反射信息，淺層地震勘探的起始記錄時間一般為0 ms，即不設(shè)置延時。一般記錄長度要能夠記錄到震源激發(fā)的地震波在目的層產(chǎn)生的反射，并留有一定余量，因此排列長度不能過大也不能過小，要根據(jù)現(xiàn)場情況，選用合適的地震記錄長度。在淺層城市地震勘探中，背景噪聲干擾嚴(yán)重，波阻抗差異較小，不宜選用較大的偏移距。由于震源是錘擊震源，接收時窗不應(yīng)該遠(yuǎn)離炮點，否則會在目的層上形成廣角反射，導(dǎo)致記錄到的反射波波形畸變。同時，由于淺層地震勘探中目標(biāo)體的尺寸較小，為了保證對其反射界面的充分采樣，道間距的選取不宜過大，一般為1～3 m[10-13]。

根據(jù)以上原理設(shè)置模型采集參數(shù)如下：道間距2 m，偏移距8 m，12道固定排列長度接收。采用彈性波方程進(jìn)行數(shù)值模擬。斷層模型圖與數(shù)值模擬單炮記錄如下圖(圖1、圖2)所示。

圖1為淺層反射地震斷層數(shù)值模擬剖面圖，圖2為炮點位于不同位置上的斷層剖面圖。對比圖2(a)、圖2(b)可以看出，當(dāng)整個排列不在斷層上時，同相軸相互平行且平滑，各反射波組相互平行，反射波同相軸清晰；當(dāng)排列在斷層上時，反射波組與波系發(fā)生明顯變化；反射波同相軸突然增加或者缺失且波組間隔也發(fā)生變化；反射波同相軸不平行、不平滑；單道記錄拖尾現(xiàn)象較嚴(yán)重。由于在反射層錯斷處，往往伴隨出現(xiàn)斷面波、繞射波等，才會形成上述現(xiàn)象，這些都是斷層判別的典型依據(jù)[14]。

圖3為數(shù)值模擬通過處理后得到的地震反射剖面圖?？傮w看來，數(shù)值模擬反射剖面圖中斷層位置與模擬斷層剖面圖中斷層位置對應(yīng)性良好。斷層傾角、兩盤都與所建模型對應(yīng)性較好。在斷層兩盤時，相鄰檢波點得到的相位到時相同，同相軸連續(xù)；斷層位置上，反射波同相軸發(fā)生錯斷，由于斷層影響，將同相軸分為上下兩個平行的兩個部分。

圖1 模擬斷層剖面Fig.1 Profile of simulation fault

圖2 不同位置單炮記錄Fig.2 Single shot record of different positions(a)Receiving array is not on the fault; (b)Receiving array is across the fault

圖3 數(shù)值模擬反射剖面Fig.3 Reflection profile of numerical simulation

通過斷層特征數(shù)值模擬可以看出，淺層地震反射波法勘探對于埋深較淺的斷層探測非常準(zhǔn)確，分辨率較好，為后期實際探測打下了堅實的基礎(chǔ)。

4 實際探查與分析

根據(jù)前期數(shù)值模擬，在本次淺層地震反射勘探工作中，采樣參數(shù)及觀測系統(tǒng)選用參考數(shù)值模擬結(jié)果。對于場區(qū)存在的隨機干擾波，采用單邊激發(fā)，6次覆蓋的觀測方式壓制。測線的布設(shè)利用GPS控制測線方向，皮尺輔助定距離的方法，以控制測量點誤差。圖4為淺層反射波數(shù)據(jù)處理主要流程。

本區(qū)淺層地震地質(zhì)條件可整體看作兩層結(jié)構(gòu)，淺部為第四系的沖積土、洪積土或淺積土，速度較低，約400～1 200 m/s；深部為花崗巖類堅硬巖組、火山巖類堅硬巖組及變質(zhì)巖較堅硬巖組，速度較高，達(dá)2 000～4 500 m/s，波阻抗差異明顯，為主要反射界面?；鶐r中的構(gòu)造斷裂，因斷裂兩側(cè)存在大量裂隙，而成為風(fēng)化相對強烈位置，在基巖面上體現(xiàn)為風(fēng)化凹槽，即風(fēng)化槽，使得上覆土層增厚?；鸪蓭r沒有明顯層理，巖體內(nèi)部和深部同相軸不明顯，斷裂兩側(cè)土層厚度不均，反射時間將有明顯差異。結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理主要流程Fig.4 Main flowchart of data processing

圖5 反射地震剖面Fig.5 Profile of reflection earthquake

圖6 電測深剖面Fig.6 Profile of electrical sounding

測線方位40度，測線長度約600 m。經(jīng)波阻對比確定基巖與第四系間的較強的反射同相軸，由圖5中可以看出，該同相軸自西南起點處50 ms向東北方向逐漸減小至30 ms。在測線中部276～366 m處同相軸反射時間較大，達(dá)60 ms，圈定異常區(qū)域。本測線淺部土層速度取值為800～1 200 m/s時，進(jìn)行時深換算可得本測線基巖面起伏形態(tài)，可見基巖面在測線中部異常區(qū)域埋深突變，土層增厚，為明顯的風(fēng)化凹槽，基巖面在該風(fēng)化槽西側(cè)相比東側(cè)要略深，推斷在處發(fā)育有斷裂構(gòu)造，與該地區(qū)域地質(zhì)斷裂有一定關(guān)聯(lián)性。由圖6可以看出，電測深剖面將地層區(qū)分較為清晰，大致劃分為三層剖面，0～-30 m為第四紀(jì)松散層，可以看出該松散層密實且比較潮濕，對應(yīng)的視電阻率較低，以下電阻率均較高，在測線270～370 m處，視電阻率最低，在地層中對應(yīng)一風(fēng)化凹槽。

綜合兩種地球物理方法，根據(jù)其提供的不同地質(zhì)信息進(jìn)行解釋，反射地震剖面與電測深剖面對應(yīng)性較好。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，準(zhǔn)確定位了研究區(qū)內(nèi)斷裂位置；掌握了第四紀(jì)松散層厚度及基巖分布規(guī)律，完成城市地質(zhì)調(diào)查的工作任務(wù)。

5 結(jié) 論

1)數(shù)值模擬對現(xiàn)場實測有著重要的作用。根據(jù)研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，建立異常區(qū)模型進(jìn)行數(shù)值模擬試驗，可為現(xiàn)場實測時觀測系統(tǒng)和采集參數(shù)的選擇提供更多佐證。

2)在城市地質(zhì)探查中，由于電磁波、金屬電纜、金屬管線等不可回避的強干擾因素，使探地雷達(dá)、電法勘探在城市內(nèi)將很難實現(xiàn)，反射地震勘探對于構(gòu)造的準(zhǔn)確定位有著不可替代的作用。

3)由于物探方法的多解性，在進(jìn)行勘查時，不能根據(jù)單一的物探方法進(jìn)行地質(zhì)解釋，應(yīng)將多種物探方法同時進(jìn)行，結(jié)合不同物探方法所攜帶的不同地質(zhì)信息進(jìn)行綜合解釋。

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The Application of Shallow Reflection Method to the Detection of Underground Fault Structure in the City

Wang Xiaoming,Zhang Pingsong,Wu Rongxin

(SchoolofEarthandEnvironment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology,HuainanAnhui232001,China)

Underground fault structure is an important factor which affects city safety. Recently, shallow reflection method has been gradually used in city underground geological anomaly exploration. According to the character of electrical sounding of one city in Fujian, this paper firstly builds seismic reflection model to provide basis for reasonable arrangement of field test system; then it compares the seismic waves field response character of fault structure getting by field measurement with electrical exploration results and makes some explanation. The results show that shallow reflection method could locate city underground fault and make judgment effectively.

fault structure; shallow reflection method; simulation and detection; city geophysical exploration

1672—7940(2016)02—0231—05

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.017

王小明(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為地球探測與信息技術(shù)。E-mail:wxm605806268@163.com

P631.4

A

2015-06-18