超淺層地震勘探在青島王哥莊斷裂探測中的應用1

楊歧焱 尤惠川 邸 龍

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超淺層地震勘探在青島王哥莊斷裂探測中的應用1

楊歧焱1）尤惠川2）邸 龍1）

1）河北地質(zhì)大學，石家莊 050031 2）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

目前國內(nèi)外對目標層埋深僅有幾十米（甚至十幾米）的超淺層地震勘探經(jīng)驗不多，理論研究也不夠深入。本文從城市活斷層探測的角度出發(fā)，利用地質(zhì)學、地球物理學及數(shù)學等學科中的相關理論和方法，探討超淺層地震勘探在青島復雜地質(zhì)構造背景下取得有效探測結果的前提條件，并對青島市主要活斷層的典型剖面進行重點研究，力求在城市活斷層超淺層地震勘探數(shù)據(jù)采集技術、數(shù)據(jù)處理等方面有所進展，為青島及類似地質(zhì)構造背景的地區(qū)開展活動斷層超淺層地震探測提供參考。研究表明超淺層地震反射波法可以獲取深度僅有十幾米的地層反射信號，且大部分反射剖面都可較清楚地揭示出超淺部斷層位置和斷層特征。

超淺層地震勘探 觀測系統(tǒng) 王哥莊斷裂-濾波

引言

城市地球物理探測與傳統(tǒng)的地球物理勘查差別很大，城市地質(zhì)環(huán)境是被人類活動改造過的自然環(huán)境，實際情況會更加復雜。地下除地層、構造等天然地質(zhì)體以外，還有地下管網(wǎng)系統(tǒng)、地下軌道交通、地下儲存庫等地下綜合體。此外，城市地球物理場是動態(tài)演化的，在城市化前后甚至還會發(fā)生更加顯著的變化（陳颙等，2003）。因此，城市地球物理探測具有探測深度淺、探測精度要求高、干擾因素多、場地受限等特點（李萬倫等，2018）。目前國內(nèi)外對目標層埋深僅有幾十米（甚至十幾米）的超淺層地震勘探經(jīng)驗不多，理論研究也不夠深入。從地表至地下幾十米的深度范圍是各種人工地震勘探的盲區(qū)，但它對斷層定位和活動性研究意義重大，近年來由于工程建設和防災減災的需要，已經(jīng)開展了不少淺層地震勘探實踐和技術研究（朱金芳等，2005）。在城市活斷層探測中，用于第四紀覆蓋區(qū)的活斷層探測方法可分為地質(zhì)學方法和地球物理方法，淺層或超淺層地震方法是地球物理方法調(diào)查城市活動斷層研究中的重要手段之一（鄧起東，2002；鄧起東等，2003）。由于淺層地質(zhì)條件以及新構造運動的特點，淺層或超淺層地震方法與常規(guī)地震勘探中采用的方法不完全相同。合理的數(shù)據(jù)采集方案是獲得高分辨率地震剖面的重要基礎；對淺層地震波傳播速度的研究為數(shù)據(jù)處理中速度參考值的確定提供了理論依據(jù)。近年來，國內(nèi)外淺層反射地震方法在城市活斷層調(diào)查中的研究及其實例也相繼發(fā)表，前人的研究成果反映了淺層地震方法的研究水平正在不斷提高（Williams等，1995；潘紀順等，2002；方盛明等，2002；劉保金等，2002；徐明才等，2005；段生全等，2005；楊曉平等，2007）。在利用淺層地震勘探方法確定隱伏活斷層位置及其上斷點埋深等工作中，一些地球物理工作者從地震波的激發(fā)、數(shù)據(jù)采集方法、室內(nèi)資料處理與解釋方法等方面進行了有益的探索，并取得了許多寶貴的經(jīng)驗，使得城市活斷層淺層地震探測剖面質(zhì)量和斷層定位精度不斷提高（何正勤等，2010；李大虎等，2010；楊歧焱等，2015，2016；許漢剛等，2016）。

青島市地處膠東半島西南部、黃海之濱，新構造運動以隆升為主，缺失第三系和第四系下部。第四紀晚期，受構造作用和海平面上升影響，接受十幾米至二十余米厚以砂粘土為主的晚更新世—全新世河、海堆積物，直接覆蓋于風化基巖（多為花崗巖）之上。東南部主要為花崗巖組成的低山丘陵，基巖在長期風化作用下形成了一定厚度的風化殼，并在山麓等和緩地帶堆積有風化-坡積物，沿海港灣有第四紀晚期河海沉積；西北部主要是第四紀晚期的河海堆積平原或海灣，沉積有10—30m厚的第四系。因此，青島市地震勘探屬于超淺層地震勘探范疇。區(qū)域內(nèi)發(fā)育若干北北東向斷裂，活動性不甚強烈，地質(zhì)地貌表現(xiàn)不很清楚，許多段落隱伏于第四系之下，斷層的準確位置和活動性都不十分可靠（圖1）。與其他地區(qū)的有利探測環(huán)境相比，青島市第四系很薄，橫向物性變化大，垂向分層性差。對于不同的地震地質(zhì)條件和探測目的，必須采用合理的野外采集方法和采集參數(shù)，因此，在一個新工區(qū)進行正式數(shù)據(jù)采集之前，應認真進行數(shù)據(jù)采集參數(shù)試驗（何正勤等，2007）。本文通過在青島王哥莊斷裂上進行不同觀測系統(tǒng)和采集參數(shù)的對比試驗，獲得了幾米至二十幾米深度范圍內(nèi)高分辨率的地震剖面，為隱伏活動斷層位置及斷層上斷點的確定、鉆孔剖面的布設和斷層活動性的判定提供了可靠的科學依據(jù)。

1 青島地區(qū)地質(zhì)構造概況

青島及鄰近地區(qū)在大地構造上屬華北地臺膠遼斷隆，基底為元古代的變質(zhì)巖系，經(jīng)呂梁運動固結形成；古生代開始為地臺發(fā)育時期，長期處于構造隆起狀態(tài)，缺失古生代至三疊紀地層，致使結晶基底大面積出露?？傮w而言，青島及鄰近地區(qū)山勢不高，以低山、丘陵和平原為主，海拔較高的山峰多為孤立分布，大致以滄口斷裂為界劃分為西北、東南2個不同的地貌分區(qū)。西北部地勢較低，多為海灣、第四系沖洪積平原。由于新構造時期魯東地區(qū)以隆升運動為主，青島及鄰近地區(qū)第四紀地層發(fā)育不良。許多地區(qū)基巖出露，部分地區(qū)沉積有晚更新世及全新世堆積物，局部地區(qū)發(fā)育有中更新世晚期的沉積物。市區(qū)東南部主要為花崗巖組成的低山丘陵，在山麓等和緩地帶堆積有較厚的風化、坡積物，沿海港灣有第四紀晚期河海堆積；西北部是中生代地層組成的準平原和第四紀河海堆積平原（或海灣），沉積較厚的第四系，最大厚度近30米。

2 超淺層地震勘探

2.1 青島地區(qū)超淺層地震勘探的特點

（1）目的層比較淺，有效反射波大多在70ms以內(nèi)，在反射波出現(xiàn)的時窗內(nèi)，各種干擾波、特別是聲波和面波很強，在接收反射波的后幾道，出現(xiàn)折射波和反射波混合的情況，嚴重影響了有效反射波。

F1：滄口斷裂；F2：青島山斷裂；F3：劈石口斷裂；F4：王哥莊斷裂；F5：馬山-王哥莊斷裂

（2）在近震源處，震源干擾波條帶內(nèi)干擾嚴重，很難獲取有效波，不同波阻抗界面形成的反射信號幅度遠遠小于干擾波振幅。

（3）青島及附近地區(qū)沉積結構和地層厚度橫向變化大，反射波速度和頻率受此影響較大。

（4）青島及附近地區(qū)覆蓋層較薄，第四系底界面通常只有一個較強的風化界面，由于風化地層的風化程度是漸變的，風化基巖之間波阻抗差較小，第四系內(nèi)部垂向分層差?；鶐r頂部常有數(shù)米厚的風化殼，有些基巖面甚至更淺，風化基巖與上覆地層之間的波阻抗差也不是很明顯。

2.2 觀測系統(tǒng)的設計和采集參數(shù)的選取

針對上述地震勘探特點，本文選取王哥莊斷層（圖1中F4斷裂）為實驗對象，為了獲得王哥莊斷層從近地表至第四系底界面（深約30m）深度范圍內(nèi)的地震剖面，對同一深度范圍按照探測精度由低到高的工作思路，在同一地震測線上采用不同的方法技術和探測參數(shù)，不同探測參數(shù)的地震剖面分別命名為TEST-a和TEST-b。地震數(shù)據(jù)采集使用德國DMT公司生產(chǎn)的SUMMIT數(shù)字地震儀，地震波激發(fā)采用了人工夯擊和人工錘擊，針對同一探測深度、不同精度的探測要求，采用的觀測系統(tǒng)參數(shù)、地震波激發(fā)和數(shù)據(jù)采集參數(shù)見表1。

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)和地震采集參數(shù)表Table 1 Survey parameters and seismic data acquisition details

在不同道間距的超淺層地震記錄上（圖2），圖2（a）、圖2（b）分別是TEST-a、TEST-b對應的超淺層地震共炮點記錄。對比圖2（a）和圖2（b）可以看出，采用較大道間距、較小偏移距以及能量較大的震源可以獲得一組很清楚的反射波組，但是近震源受干擾波影響嚴重，在超淺層不能獲取有效反射波；采用較小道間距、較大偏移距以及能量較小震源，可以獲取超淺層有效反射波，也可以減輕震源干擾波的影響，但是能量較弱，反射波信號相對變?nèi)酢?/p>

采用較小道間距和較弱震源，可以獲取超淺層有效反射波，且垂向分層較好。由于采用小排列接收，道間距越小反射波能量衰減也越慢，因此受震源干擾波影響也變的越小，但是面波比較發(fā)育。由此可見，較小道間距和較小偏移距有利于保護反射波，延緩反射波的衰減，但是也帶來了面波發(fā)育的問題；在保證探測深度要求的前提下，較弱的震源有利于避開震源干擾波的影響。

圖2 不同道間距的超淺層地震共炮點記錄

2.3 超淺層地震數(shù)據(jù)處理中的方法

采用Promax地震反射處理系統(tǒng)處理地震數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，由于獲得的原始記錄的反射波近震源干擾嚴重，遠震源反射波能量較強、干擾能量較弱等特點，因此選取記錄信噪比高的遠震反射波，可最大限度地提高地震資料的分辨率。其數(shù)據(jù)處理流程和方法主要包括：道編輯、靜校正、真振幅恢復、地表一致性振幅處理、地表一致性反褶積、二維隨機噪音衰減、-濾波、正常時差校正（NMO）、共中心點（CMP）疊加、疊后頻率帶通濾波和疊后剖面去噪等。

本文利用不同的濾波和處理方法來提高地震數(shù)據(jù)信噪比，圖3為同一記錄數(shù)據(jù)在不同情況下進行-濾波獲得的對比分析結果和頻譜分析結果。其中，圖3（a）為原始數(shù)據(jù)和相對應的譜分析結果，可以看出在超淺層地震勘探中，地震反射波受淺層折射、面波和聲波的影響，反射波信號相對較弱（圖中紅色圓圈），信噪比不高，通過頻譜分析則顯示地震數(shù)據(jù)主頻有2個頻段：50Hz和100Hz；圖3（b）為對原始數(shù)據(jù)應用-濾波后的結果及其頻譜分析，由圖可見應用-濾波后，數(shù)據(jù)中面波和聲波得到有效減弱，反射波信號得到加強，信噪比也得到提高，頻譜分析顯示數(shù)據(jù)主頻為100Hz，同時結果還顯示面波頻率范圍與有效地震反射波接近，濾波困難，數(shù)據(jù)信噪比低；圖3（c）通過切除數(shù)據(jù)前幾道信號，避免了近道面波對反射波的干擾，再進行-濾波，反射波信號明顯增強，信噪比也得到進一步提高。對比結果表明，在淺層或超淺層地震勘探中，在取得信噪比較高的情況下，再對地震數(shù)據(jù)進行-濾波可以有效去除干擾波，提高地震反射波的信噪比。

圖3 原始數(shù)據(jù)及不同信噪比下的f-k濾波對比及其頻譜分析圖（一） Fig. 3 Analysisbetween f-k filtering under different signal-to-noise ratio data and corresponding spectrum

圖3 原始數(shù)據(jù)及不同信噪比下的f-k 濾波對比及其頻譜分析圖（二）Fig. 3 Analysis between f-kfiltering under different signal-to-noise ratio data and corresponding spectrum

2.4 超淺層地震剖面特征

圖4、圖5分別是TEST-a、TEST-b測線經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的地震反射時間及地質(zhì)解釋剖面（圖中方向左西右東）。在圖4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100ms以上的時間范圍內(nèi)，存在1組起伏變化的反射波組，由2—3個強相位組成；在圖5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60ms以上的時間范圍內(nèi)，存在2組起伏變化的反射波組，分別由2—3個強相位組成。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關系，在該測線剖面上解釋了1個斷點，在圖4和圖5中標識為F。斷層F位于TEST-a測線CDP423#和TEST-b測線CDP87#處，反射波同相軸出現(xiàn)了錯動，斷層為傾向西、高傾角逆斷層，根據(jù)測區(qū)地質(zhì)資料，判斷該斷層為王哥莊斷裂。

圖4 TEST-a地震反射時間及地質(zhì)解釋剖面 Fig 4 Stack time section of seismic reflection and the interpretation in TEST-a

圖5 TEST-b地震反射時間及地質(zhì)解釋剖面 Fig 5 Stack time section of seismic reflection and the interpretation in TEST-b

對比TEST-a、TEST-b測線的地震反射波疊加剖面發(fā)現(xiàn)，TEST-b測線在超淺層部分，特別是30ms以上部分有清晰的反射同相軸，說明小道距在超淺層地震勘探中，能揭示更多的斷層結構細節(jié)。

3 鉆孔地質(zhì)剖面及綜合解

在王哥莊北TEST-a測線CDP423#和TEST-b測線CDP87#處的王哥莊斷裂斷點附近，布設了1組深19.1—23.5m、相鄰孔距5—10m的鉆孔（ZK1—ZK7），發(fā)現(xiàn)在ZK2與ZK6之間基巖頂面和第四系底部被斷層錯斷4m左右，西升東降（圖6）。由圖6可見，除底部層位外，第四系各個層位均連續(xù)分布，未受斷層構造變動，根據(jù)前期第四紀地層劃分結果（包括測年結果），這套地層應為上更新統(tǒng)。因此，該處王哥莊斷裂在晚更新世早期仍在活動。

圖6 TEST-a和TEST-b測線王哥莊斷裂鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面 Fig. 6 The drilling geological section of WGZ fracture combined with the TEST-a and TEST-b survey lines

4 結論與討論

（1）本文從城市活斷層探測的角度出發(fā)，利用地質(zhì)學、地球物理學等學科中的相關理論和方法，探討超淺層地震在復雜地質(zhì)構造背景下獲得有效探測結果的前提條件。綜合分析青島地區(qū)地震勘探資料發(fā)現(xiàn)：①要依據(jù)擴展排列試驗并參考觀測系統(tǒng)參數(shù)選擇原則，選好最小和最大偏移距，在超淺層探測中，近震源道記錄中反射波與干擾波很難分辨，需要一定的偏移距才能將其分辨清楚；②最大偏移距不能過大，由于目標層埋深很淺，若排列長度過大，記錄的多為折射波，所以需要采用短排列、小道間距進行數(shù)據(jù)采集。

（2）在對超淺層地震數(shù)據(jù)采集技術、資料處理與解釋方法進行系統(tǒng)研究的基礎上，以可清晰分辨出斷層位置的典型剖面為例，證明在選擇合適的觀測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法基礎上，超淺層地震反射波法可以獲取深度僅有十幾米的地層反射信號，且大部分反射剖面都可較清楚地揭示出超淺部斷層位置和斷層特征。青島王哥莊斷裂地震勘探研究結果顯示，超淺層地震反射方法在城市活斷層探測中，特別是沿海覆蓋層較淺的區(qū)域具有良好的應用前景。

（3）在對青島王哥莊斷裂超淺層地震反射時間剖面開展研究和解釋的基礎上，結合典型斷點的鉆孔聯(lián)合剖面探測資料，研究了王哥莊斷裂的準確位置、幾何結構和活動性。研究表明，王哥莊斷裂晚更新世以來可能也是活動的。

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The Application of Ultra Shallow Seismic Survey onWanggezhuang Fault in Qingdao

Yang Qiyan1), You Huichuan2)and Di Long1)

1) Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China 2) Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China

At present for the target at depth of only tens of meters of ultra-shallow seismic exploration do not have many experiences in practice neither in theoretical research. The depth about decades of meters below the ground surface is the blind area of every kind of deep and shallow seismic exploration, which plays an important role in the research of the location of fault and active structure. Starting from the point of view of detecting urban active faults, we apply related theories and methods of geology and geophysics, probe into the precondition to acquire efficient ultra-shallow seismic results in complicated geological background. Taking the Qingdao area as an example, we study the depth condition of Quaternary deposits, and apply 4—8 stacking folds to satisfy the requirement to get the exploration results with high-resolution and high-SNR. Preliminary results reveal that the selecting proper surveillance layout is one of the keys to acquire authentic exploration results in ultra-shallow P-wave reflection exploration. Our results also show that ultra-shallow seismic reflection method in detecting faults in the Qingdao area has good application prospects.

Ultra shallow seismic survey; Observation system; Wang G Z Fault;-filtering

楊歧焱，尤惠川，邸龍，2018．超淺層地震勘探在青島王哥莊斷裂探測中的應用．震災防御技術，13（2）：284—292．

10.11899/zzfy20180204

河北地質(zhì)大學博士科研啟動基金（BQ2017027）；中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡工程—青島市活斷層探測與地震危險性評價項目（1-4-15）

2018-01-03

楊歧焱，男，生于1982年。博士。主要從事淺層地震勘探和深部地球物理研究工作。E-mail：yangqiyan413@163.com