水域淺層地震勘探在東莞市活斷層探測中的應(yīng)用

盛 強(qiáng)，郭良田，安好收，羅傳根

(1.廣東省地震局，廣東 廣州 510070；2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070；3.廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510070；4.江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇 南京 210008)

0 引言

城市內(nèi)的斷裂多被第四系松散沉積物所覆蓋，地球物理勘探為探測這類隱伏斷裂的主要方法，常用的地球物理探測手段有人工地震勘探等。而淺層地震勘探是城市活斷層淺部探測中最為有效的方法之一，可以提供斷層的位置、斷層活動和地層變形等有關(guān)參數(shù)，具有分辨率高、對地下結(jié)構(gòu)的再現(xiàn)性較好等優(yōu)點(diǎn)，已成為城市活斷層探測中不可或缺重要方法。對此，國內(nèi)外已有廣泛的應(yīng)用和研究。美國的洛杉磯地震實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(LARSE計(jì)劃)主要是利用人工源地震及天然地震方法來獲得洛杉磯地區(qū)地下直至孕震深度的結(jié)構(gòu)圖像，包括斷層成像，特別是盲斷層成像。我國自20世紀(jì)80年代以來，已有20多個城市相繼開展了“城市活斷層探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)”工作，為淺層地震勘探在城市活斷層探測中的應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[1-5]。

水域淺層地震勘探具有成本低、效率高、成果直觀等特點(diǎn)，尤其是操作方便、適用范圍廣，目前做為一種補(bǔ)充勘察方法，已被廣泛應(yīng)用于水域工程勘察領(lǐng)域，特別是在沿海、沿江等地區(qū)。雖然我國已對多個城市進(jìn)行活斷層探測，但水域淺層地震勘探應(yīng)用的公開報(bào)道并不多。本文是東莞市城市活斷層探測項(xiàng)目的專題成果之一[注]“東莞市石龍-厚街、南坑-虎門斷裂探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)”項(xiàng)目追加專題：水域淺層地震勘查.，主要介紹南坑—虎門斷裂水域淺層地震探測情況，以說明水域淺層地震勘探在城市活斷層探測中的應(yīng)用和探索。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)地貌

東莞地區(qū)位于華南加里東褶皺系的粵北、粵東北—粵中拗陷帶內(nèi)。區(qū)域內(nèi)出露地層的包括：前寒武系、寒武系、泥盆系、石炭系、二迭系、三迭系、侏羅系、白堊系，古近系及第四系。區(qū)域內(nèi)第四系主要包括晚更新世及全新世地層，主要分布于珠江三角洲河流水網(wǎng)地區(qū)、溝谷與河岸沖積平原。區(qū)域內(nèi)北東向斷裂是地表出露規(guī)模最大，延伸最長的斷裂構(gòu)造。

東莞地區(qū)位于東江南緣，其西北側(cè)為呈北東向展布的狹長帶狀平地，河流發(fā)育，構(gòu)成三角洲平原區(qū)；東南部主要為丘陵臺地區(qū)，但在丘陵臺地中還發(fā)育有河谷平原地貌[6-8]。

1.2 地球物理背景

區(qū)域范圍內(nèi)地球物理場總體特征表現(xiàn)出異常幅度小、變化平緩的特征，說明本區(qū)深部構(gòu)造環(huán)境的差異性不大，與地表構(gòu)造活動和地震活動環(huán)境相一致，尤其是區(qū)域及其鄰近區(qū)域的地球物理場異常變化較小。區(qū)域范圍內(nèi)的地殼厚度接近大陸的平均值，基本處于重力均衡狀態(tài)，屬于較為穩(wěn)定的地區(qū)。

1.3 南坑—虎門斷裂概況

南坑—虎門斷裂隸屬于紫金—博羅斷裂帶西南段，東北起自五華境內(nèi)，往西南經(jīng)紫金、博羅、龍溪進(jìn)入東莞境內(nèi)，沿橫瀝、寮步、五馬、三馬至虎門，目標(biāo)區(qū)內(nèi)長度約55km。斷裂總體走向NE45°～55°，傾向SE，傾角45°～70°，為東江三角洲新生代斷陷盆地的南緣邊界斷裂[9]。前人對該斷裂的測年數(shù)據(jù)顯示斷裂于中更新世晚期有過活動。

歷年的工程地質(zhì)和工程場地地震安全性評價(jià)對斷裂構(gòu)造有零星揭示，但斷裂的展布特征，尤其是斷裂的隱伏位置，埋藏深度、地震危險(xiǎn)性等方面都未曾做過詳細(xì)系統(tǒng)的工作，至今沒有準(zhǔn)確的定位，更不可能采取相應(yīng)的措施，因此對斷裂進(jìn)行探測和危險(xiǎn)性評價(jià)，將為東莞市城市規(guī)劃，重要工程加固、選址、抗震措施的選擇提供依據(jù)。

2 水域淺層地震勘探工作原理與方法

2.1 勘探原理

淺層反射地震方法是利用地層之間由于波阻抗差異所產(chǎn)生的反射相位特征來推測、解釋地下構(gòu)造[10]，確定上斷點(diǎn)埋深。它能夠有效地對地下反射界面成像，通過分析反射波組特征的變化而做出是否存在斷層的判斷。

淺層地震勘探是通過人工激發(fā)彈性波在地下巖土層中的傳播規(guī)律和特點(diǎn)，分析地質(zhì)構(gòu)造情況的一種物探方法，也是探測隱伏于第四系中的活斷層最重要的方法之一[11-16]。水域淺層地震探測是以震源在水面激發(fā)聲波，同時在水面用檢波器接收反射波，在水面上對水下淺層地層進(jìn)行探測的一種技術(shù)。其過程是通過震源將聲波送人水中并傳人水體底部，由于水體底部及各地層界面在波阻抗上的差異，部分聲波穿過界面繼續(xù)傳播，部分經(jīng)界面反射后返回水面，通過檢波器接收返回波，再經(jīng)放大和數(shù)字化后，形成波形圖。通過對波形圖和高密度地震映象圖的數(shù)據(jù)處理、判讀、速度分析等手段得到各個層面的探測結(jié)果[17-22]。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2.2.1 儀器設(shè)備

地震儀采用美國產(chǎn)NZXP數(shù)字地震儀(圖1-a)；激發(fā)采用高壓空氣槍及與其配套的空壓機(jī)(圖1-b)；水聽器由四個組合成1道，主頻80Hz，道間距2m，接收道數(shù)為24道。

圖1 儀器設(shè)備Fig.1 Photos of instruments and equipments

2.2.2 測線布置

本次水域淺層地震勘查共有4條測線，總長19.364km。由于篇幅所限，本文僅介紹測線Ⅲ，具體測線位置見圖2。本次水域?qū)Ш?、定位采用Trimble AgGPS332信標(biāo)儀，定位觀測與淺層地震勘查同步進(jìn)行。經(jīng)已知控制點(diǎn)多次觀測檢查，動態(tài)定位精度為±0.18m。

圖2 測線分布圖Fig.2 Geological structure map and the distribution of measuring lines

2.2.3 試驗(yàn)工作

試驗(yàn)工作在現(xiàn)場進(jìn)行，包括激發(fā)能量、記錄長度、采樣率、電纜與震源入水深度及最佳偏移距等，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果(圖3)，確定各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)為：偏移距4m，激發(fā)氣壓80kg/cm2，激發(fā)間隔4s，船速2.9節(jié)，記錄長度512ms，采樣率0.5ms，震源、電纜入水深度1.2～1.5m，覆蓋次數(shù)4次。

圖3 單炮試驗(yàn)記錄圖Fig.3 Figure of single shot test

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

(1)地震記錄整理，根據(jù)實(shí)測航跡進(jìn)行有效炮文件(記錄)抽取，保證4次覆蓋。

(2)常規(guī)處理，一般流程為：頻譜分析→頻率濾波→速度掃描→動校正疊加等。形成初步地震時間剖面，主要作為外業(yè)質(zhì)量監(jiān)控。

(3)后期處理，在工作站上進(jìn)行，除常規(guī)處理外，還包括反褶積、剩余靜校正、多次速度分析、fk濾波及去噪等特殊處理(圖4、圖5)，以達(dá)到突出有效波、壓制干擾波的目的，形成最終地震時間剖面[23-27]，作為成果解釋用，具體處理過程見圖6。

3 成果分析及解釋

圖4 疊后去噪前時間剖面圖Fig.4 Time-profile before denoising after stacking

圖5 疊后去噪后時間剖面圖Fig.5 Time-profile after denoising after stack

圖6 淺層地震數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.6 Flow chart of shallow seismic data processing

地震波速度是時—深換算中最重要的參數(shù)，求取速度參數(shù)采用兩種方法：一是根據(jù)鉆孔資料反算速度；二是利用本次反射資料求取的疊加速度進(jìn)而換算出平均速度。通過對上述兩種方法求取的速度進(jìn)行綜合分析，由淺至深平均速度選擇為1450～1700m/s，以此平均速度為基礎(chǔ)進(jìn)行反射界面的時深換算。

由Ⅲ測線地震時間剖面及解釋剖面圖可見，發(fā)育3個有效反射波組(T0、Tg及Tg1)(圖7)。T0波組為水底反射波組，連續(xù)性好，且可追蹤，所對應(yīng)界面埋深為3～7m；Tg波組推測為全新統(tǒng)淤泥、淤泥質(zhì)砂、中粗砂(Qh+Q3p)與侏羅系礫巖、泥質(zhì)粉砂巖(J)及震旦系片巖、片麻巖、混合質(zhì)變粒巖(Z)界面間的反射波組，能量較強(qiáng)，連續(xù)性較好，且可追蹤，起伏不大，所對應(yīng)界面埋深為9～22m； Tg1波組推測為黑云母二長花崗巖(γ5)侵入在侏羅系或震旦系中形成的界面的反映，能量較Tg波組弱，局部呈多組振蕩波特征，起伏較大，界面埋深呈兩側(cè)淺中間深且北西側(cè)深于南東側(cè)特征，為53～92m。

Ⅲ測線的f3斷點(diǎn)位于測線4120m處，即地震時間剖面2565CDP附近(圖8)，資料顯示，該處Tg1反射波組出現(xiàn)錯斷現(xiàn)象，呈北西低南東高特征，兩側(cè)黑云母二長花崗巖面(Tg1)落差約8m，傾向北西，具正斷性質(zhì)，但其上覆基巖面及覆蓋層內(nèi)反射波組連續(xù)完整，均未見錯斷跡象。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，初步推斷為斷層所引起，但其上斷點(diǎn)未錯斷至基巖面及覆蓋層內(nèi)，埋深約83m，為基巖中前第四紀(jì)老斷層。

圖7 Ⅲ測線地震時間剖面圖(部分)Fig.7 Seismic time-profile of measuring line Ⅲ (sectional)

圖8 f3斷點(diǎn)異常時間剖面及解釋剖面圖Fig.8 Abnormal time-profile and geological interpretation profile of breakpoint f3

4 結(jié)論與討論

本文采用小道距、高頻率水域縱波反射法，初步查明了南坑—虎門斷裂在水域覆蓋部分的斷點(diǎn)位置，為后期鉆孔探測提供了依據(jù)。水域淺層地震勘探所獲得的地震時間剖面揭示出基巖反射界面連續(xù)完整，第四系地層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯錯斷。而測線Ⅲ所在的地震時間剖面上所解釋的f3斷點(diǎn)兩側(cè)基巖高差為8m，上斷點(diǎn)埋深為83m。綜上分析推測南坑—虎門斷裂第四紀(jì)以來沒有明顯的活動跡象。

通過水域淺層地震勘探研究水域中隱伏斷裂分布情況效果較為明顯，但同時也應(yīng)注意到這一方法在應(yīng)用過程中的不足之處，如本區(qū)域范圍內(nèi)地下水位較高，土層薄以及土層本身多相變和成層性差，震源的脈沖及震源能量較弱等因素對水上地震資料的收集和解釋帶來不利影響等。未來水域淺層地震勘探應(yīng)用于城市活斷層探測過程中應(yīng)采取切實(shí)可行的針對性措施，通過選擇合適的震源、合理的技術(shù)方案和資料處理手段，最大限度地抑制干擾，提高地震資料信噪比和分辨率，增強(qiáng)解釋結(jié)果的可靠性。